一种基于异质结结构的弹性波增强器

1.本发明属于弹性波调控技术领域，具体涉及一种基于异质结结构的弹性波增强器。


背景技术：

2.我国从20世纪60年代就开展了弹性波测量工作。随着测试仪器的不断完善和测试技术的不断发展，弹性波检测方法的应用越来越广泛，目前在很多领域都开展了弹性波测试工作。在利用弹性波对岩体稳定性进行监测方面也开展了大量的工作，如观测爆破对边坡岩体的影响，洞室围岩开挖松动圈的测定，工程岩体边坡和洞室围岩稳定性评价，爆破破坏范围及效果检查等方面的应用研究。目前，弹性波测量已成为工程测量的一种手段，在水利工程实践中也得到了应用和推广。
3.此外，我国是世界海洋大国，海洋中的声波对海洋信息的获取有着不可替代的重要意义和作用。由于海底沉积物多为分层结构，且各层弹性性质不同，因而可近似将海底沉积物层模拟为多层弹性介质。进一步地，相比于光和电磁波信号在水中衰减和干扰程度严重，潜艇在水下产生的低频声信号能够穿过沉积层进入海底并以弹性波形式传播，这种弹性波和地震波类似。但是，弹性波的低频声信号比较弱，无法直接获取的弹性波信号中的适合处理的低频信号，这是本领域的一项技术难题。因此，如何有效放大海水中的低频声信号，提高低频声信号的识别效率成为目前相关研究领域的关键问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的低频声信号问题，本发明人经过多次设计和研究，提供了一种基于异质结结构的弹性波增强器，其具体为由周期凸起弹性材料组成的一种基于异质结结构的弹性波增强器。
5.依据本发明的技术方案，提供一种基于异质结结构的弹性波增强器，其包括弹性波异质结，所述弹性波异质结实现异质结内部的弹性波信号增强。基于异质结结构的弹性波增强器进一步包括两段结构参数不同的周期起伏弹性的第一结构和第二结构，弹性波异质结设置在第一结构和第二结构之间；两段起伏第一结构和第二结构均可传输弹性波信号，分别具有不同的传输特性。
6.优选地，第一结构或第二结构均为矩形周期凸起结构，两段矩形周期凸起结构中的凸起结构个数，即周期个数可根据实际需要进行调整。第一结构或第二结构的一个周期内矩形凸起结构与整个周期的长度之比即占空比，可根据实际需要进行调整。
7.另外地，基于异质结结构的弹性波增强器进一步包括多段结构参数不同的周期起伏弹性的结构，弹性波异质结设置在每两个结构之间；每个结构均可传输弹性波信号且分别具有不同的传输特性。
8.更优选地，第一结构或第二结构的周期起伏弹性结构凸起结构的起伏程度，即一个周期内凸起最大高度与最小高度之比保持相同。异质结的高度与第一结构最小高度一
致，异质结为将第一结构的最小高度的结构部分在第一结构与异质结的连接处进行了一段延长。
9.进一步地，异质结宽度在不大于第一结构的最小高度的宽度和第二结构的最大高度的宽度内变化。异质结的长度依据所增强弹性波频率的来调整。
10.另外地，一种基于异质结结构的弹性波增强器为无缝隙一体的刚性材料结构，弹性波信号自第一结构的左侧入射面均匀入射，在第一结构的单位面积内产生同等强度和方向的弹性波，并由第二结构的右侧出射面射出。
11.相比较于现有技术，采用本发明的基于异质结结构的弹性波增强器，具有以下技术优势：
12.1、本发明基于异质结结构的弹性波增强器结构简单，易于设计和操作，成本低廉。
13.2、本发明基于异质结结构的弹性波增强器，其增益频率范围300-350hz；增强频段范围可通过异质结长度进行调整。
14.3、本发明基于异质结结构的弹性波增强器，可根据实际应用场景进行调整，调整第一结构入射面或第二结构出射面的高度，进而实现对弹性波信号增强效果的调整。
附图说明
15.图1是依据本发明的基于异质结结构的弹性波增强器的结构示意图；
16.图2是图1中的基于异质结结构的弹性波增强器的剖面正视图；
17.图3是本发明的基于异质结结构的弹性波增强效果示意图；
18.图4为基于异质结结构的弹性波增强器的增强器中心频率调控示意图。
19.附图中的附图标记具体如下：第一结构1，第二结构2，弹性波出射面3，第二结构与异质结的连接面4，异质结c。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
21.本发明所提供的基于异质结结构的弹性波增强器引入弹性波异质结，实现异质结内部的弹性波信号增强；本发明的基于异质结结构的弹性波增强器可为海水中的弹性波增强研究提供现实增强手段，本发明的基于异质结结构的弹性波增强器包括两段结构参数不同的周期起伏弹性的第一结构和第二结构以及在其间构成连接的异质结；两段起伏弹性结构(第一结构和第二结构)均可传输弹性波信号，分别具有不同的传输特性，即对相同频率的弹性波衰减程度不同。与单一结构的传输衰减现象不同，两段周期起伏弹性结构连接处形成了异质结，对于特定频段的弹性波信号在异质结处产生较大增益。本发明结构简单，易于加工制作，成本低廉，增益频段范围可通过在连接处加入的异质结的长度进行调整。
22.本发明的周期起伏弹性结构(第一结构和第二结构)为矩形周期凸起结构，两段周期起伏弹性结构中的凸起结构个数，即周期个数可根据实际需要进行调整；一个周期内矩
形凸起结构与整个周期的长度之比即占空比，可根据实际需要进行调整；两段周期起伏弹性结构的起伏程度，即一个周期内凸起最大高度与最小高度之比，可根据实际需要进行调整。
23.在优选实施例中，两段周期起伏弹性结构中的凸起结构均为上下对称分布结构，即上下边界保持对应一致。两段凸起结构连接形成的异质结对信号的增强是由弹性波与结构的共振引起，两段周期起伏弹性结构中的凸起结构均为矩形周期凸起结构；周期个数，即矩形凸起重复连接个数保持相同；两段凸起结构的占空比，即一个周期内矩形凸起部分与整个周期的长度之比保持相同；两段周期起伏弹性结构凸起结构的起伏程度，即一个周期内凸起最大高度与最小高度之比保持相同。本发明实施过程中，可根据共振原理和实际增益需求对周期长度、占空比、周期个数等参数进行设计。在优选实施例中，第一结构或第二结构的结构周期长度越长可增强弹性波频率越低，周期个数越多可增强频带越窄，占空比越大可增强弹性波频带越宽。
24.在另外的实施例中，两段周期起伏弹性结构的凸起结构的连接处可加入一段矩形衔接结构，即异质结c，矩形衔接结构的高度与第一结构最小高度一致，异质结c为将第一结构的最小高度的结构部分在第一结构与异质结的连接处进行了一段延长。异质结(矩形衔接结构)宽度优选在不大于第一结构的最小高度的宽度和第二结构的最大高度的宽度内变化，可根据实际情况调整矩形衔接结构宽度。异质结(矩形衔接结构)的长度增加可增强弹性波频率，根据实际增益需求进行选择矩形衔接结构的长度。异质结(矩形衔接结构)的长度依据所增强弹性波频率的来调整。
25.本发明的一种基于异质结结构的弹性波增强器的结构设计为无缝隙一体的刚性材料结构，弹性波信号自第一结构的左侧入射面均匀入射，在第一结构的单位面积内产生同等强度和方向的弹性波，并由第二结构的右侧出射面射出。弹性波信号的出射面与入射面的高度相差不大，在优选实施例中弹性波信号的出射面与入射面的高度相等或近似相等，并且在优选实施例中相等或近似相等的侧边高度对信号增强效果的影响不大且可以忽略不计，或者在相等的侧边高度下对信号增强效果没有影响；进一步地，可根据实际应用场景对侧边高度或对信号增强效果进行微调。
26.本发明的基于异质结结构的弹性波增强器的材料优选采用弹性波传播衰减较小的固体材料，例如层状海底、钢筋混凝土、铝合金、不锈钢等材料。
27.上述以两段结构参数不同的周期起伏弹性结构为例进行的说明，在另外的实施例中，可以采用多段结构参数不同的周期起伏弹性结构串联，进而形成多个异质结，实现弹性波多级增强的结构。
28.下面结合附图，对本发明基于异质结结构的弹性波增强器进一步做出详细解释和说明。
29.如图1和图2所示，基于异质结结构的弹性波增强器包括第一结构1和第二结构2，第一结构1和第二结构2为两段周期起伏弹性材料连接而组成的无缝隙一体的刚性结构，第一结构1和第二结构2均为上下对称的矩形起伏结构，第一结构1的起伏周期长度与第二结构2的起伏周期长度不同，第一结构1的最大高度与第二结构2的最小高度不同；第一结构1的每个起伏周期内凸起结构长度与起伏周期长度的比值和第二结构2的每个起伏周期内凸起结构长度与起伏周期长度的比值相同。也就是，第一结构1的每个起伏周期内凸起结构长
度与第一结构1的整个起伏周期长度的比值，等于第二结构2的每个起伏周期内凸起结构长度与第二结构2的整个起伏周期长度的比值；所述比值优选0.3～1.0，更优选的比值为0.5，在比值为0.5时，其弹性波增强率高达50％以上。
30.第一结构1与第二结构2连接处形成异质结c，异质结c为第一结构1和第二结构2之间的连接体，异质结c自具有最小高度(厚度)a1的第一结构1处延申出来，异质结c与具有最大高度(厚度)b2的第二结构相衔接，也就是异质结c与第二结构2在连接面4处衔接。异质结c的高度等于第一结构1的最小高度a1。
31.弹性波信号入射方向垂直于第一结构的左侧入射面，第一结构的左侧入射面与第一结构的凸起结构方向平行，即弹性波信号入射方向垂直于第一结构的凸起结构方向；当弹性波信号从第一结构的左侧入射面的边界传入时，在第一结构和第二结构连接处的异质结结构中产生界面态，通过第一结构、第二结构和异质结c的不同结构参数对弹性波横纵模之间的相互作用，在特定频段下使得能量集中于异质结处，实现弹性波增强效果。弹性波信号自第二结构的右侧出射面射出。
32.在另一实施例中，例如图1和图2所示，两个周期起伏的第一结构1和第二结构2的周期个数均为5，第一结构1的周期长度t1＝6.4m，第一结构1的最小高度a1＝5.7m，第一结构1的最大高度a2＝3.3m；第二结构2的周期长度t2＝6.3m，第二结构2最小高度b2＝7.6m，第二结构2最大高度b2＝4.4m。第一结构1与第二结构2的整体结构材料采用铝材或全铝一体成型制成。异质结c的高度与第一结构1的最小高度a1相等，为5.7m(米)。第一结构1中的矩形凸起结构与整个周期的长度之比即占空比，可根据实际需要进行调整；第二结构2中的矩形凸起结构与整个周期的长度之比即占空比，可根据实际需要进行调整；第一结构1的占空比与第二结构2的占空比相同。
33.针对上述图2所示的具体参数，通过仿真软件对图1结构进行性能测试，在第一结构1的左侧设置水平向右的应力产生弹性波，在频率为341hz下观察结构内的应力振幅情况。并对仿真数值结果进行归一化处理，结果如图3所示，显示在异质结处可以取得明显的振幅增益，达到弹性应力能量汇聚效果。
34.更进一步地，针对异质结c，其为对于第一结构1与第二结构2连接增加一段与第一结构1最小高度相同的的矩形结构，其横向长度，即异质结c宽度分别取0.64m、1.28m、1.92m、2.56m、3.2m，并进行仿真，仿真结果如图4所示，横轴表示增强的频率范围，改变异质结c的宽度可以对增强的弹性波频率进行调控。
35.以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。