一种基于声子晶体缺陷的声能俘获系统

摘要

本发明公开了一种基于声子晶体缺陷的声能俘获系统，由若干个二维晶格单元周期排列组成，所述的二维晶格单元由相互平行的水柱体及位于中心的一缺陷空气柱体在水银中按二维晶格排列；所述水柱体的半径r

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于声子晶体缺陷的声能俘获系统。

背景技术

声子晶体是类比光子晶体的概念提出来的。通过类比光子晶体，人们发现 弹性波在周期性弹性复合介质中传播时，也会产生类似的弹性波带隙，从而提 出了声子晶体概念。声子晶体的一个重要特征是声子禁带，落在禁带频率范围 内的声波将无法通过声子晶体传播。若在声子晶体中引入缺陷，在禁带中可能 会引入缺陷态，频率与缺陷态频率相吻合的声波可能被局域在缺陷处，因此声 能在这点缺陷处能够被俘获。

目前声子晶体中引入缺陷俘获声能的方法很少。本方法通过改变缺陷柱体 半径大小使其产生不同的缺陷态，从而俘获不同频率范围内的声能，此方法对 制备技术要求相对较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声子晶体缺陷的声能俘获系统。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于声子晶体缺陷的声能俘获系统的技 术方案为：

所述的基于声子晶体缺陷的声能俘获系统由若干个二维晶格单元周期排列 组成，所述的二维晶格单元由相互平行的水柱体2及位于中心的一缺陷空气柱 体3在水银中按二维晶格排列；所述水柱体2的半径r₀=0.31a，缺陷空气柱体3 的半径分别为r_d=1.0r₀、r_d=0.7r₀、r_d=0.5r₀、r_d=0.3r₀或r_d=0，其中a为 晶格常数，r₀,r_d分别为水柱体2及缺陷空气柱体3的半径；

所述的二维晶格单元的水柱体至少五层，所述二维晶格的晶格常数a为1～ 10cm。

所述的基于声子晶体缺陷的声能俘获系统由一种或几种密度不同的多层单 元叠加组成。

所述二维晶格单元的排列结构为平行四边形、矩形、正方形或六角形。

所述二维晶格单元的排列结构为正方形。

上述水柱体2和缺陷空气柱体3的横截面形状为圆形、椭圆形、正方形、矩 形、三边形或六边形。

上述水柱体2和缺陷空气柱体3的横截面形状为圆形。

上述基于声子晶体缺陷的声能俘获系统是由水、水银和中心缺陷材料空气这 三种密度不同的单元叠加而成的：其中，水柱体的密度为ρ=1.0×10³Kg/m³，纵波 波速C_l=1.48×10³m/s，水银的密度为ρ=13.5×10³Kg/m³，纵波波速C_l=1.45×10³m/s，中 心缺陷材料空气的密度为ρ=1.29Kg/m³,纵波波速C_l=0.34×10³m/s。

上述水柱体2及缺陷空气柱体3分别由聚苯乙烯PS材料包裹制成水柱体及 铅合金材料包裹制成空气柱体；其中聚苯乙烯的密度为1.05×10³kg/m³，体积模 量：2.19×10⁹Pa，薄层的厚度；铅合金的密度为13.64×10³kg/m³，体积模量： 28.7×10⁹Pa，薄层的厚度

声子晶体中声波带隙的产生和大小主要受以下因素影响：一、组成介质的 质量密度、弹性常数、声波速度等物理参数；二、分散介质的几何形状、体积 分数和排列方位；三、晶体的排列结构。通过调节和改变这些因素即可获得满 足特定频率要求的声子晶体。

基于上述三方面因素的考虑及现实可行性要求，选择水柱体排列于水银中 构成的声子晶体。比如，将相互平行的水柱体在水银中作周期性排列而构成的 二维声子晶体。由五层水柱在水银中按正方晶格排列而成的声子晶体结构，即 使引入点缺陷，也不会打破系统晶格的周期性，所以由五层水柱体构成的声子 晶体结构已可以达到要求。

本发明的有益效果：

本发明所提供的一种基于声子晶体缺陷的声能俘获系统，其声能俘获方式 新颖，本方法通过改变缺陷的半径的大小使其产生不同的缺陷态，从而俘获不 同频率范围内的声能，此方法对制备技术要求相对较低，制作工艺简单，可设 计性强。

附图说明

图1表示由水柱体按正方晶格排列于水银中每五行五列改变缺陷空气柱体 的半径的二维声子晶体能带结构图，其中结构中水柱体在单个元胞中的填充率 f=0.3。

图2为本发明实施例的横截面示意图；其中，1为水银，2为水柱体，3 为缺陷空气柱体。

图3为本发明实施例中对应产生的缺陷带频率随缺陷空气柱体半径变化的 能带结构图。

图4为本发明实施例中产生的缺陷带P点所对应的声压分布图。

具体实施方式

对于由水柱体分散于水银中所形成的二维声子晶体，水柱体横截面形状可 以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形、六边形等，排列结构也可以取平 行四边形、矩形、正方形或六角形等二维晶格，经计算分析发现，水柱体横截 面形状为圆形且按正方形晶格排列时，比其它形状的柱体和晶格结构可产生较 明显的缺陷态；又考虑到缺陷材料也有很多种类，经过一些缺陷材料的比较， 发现在同一缺陷态下低密度材料为缺陷材料比高密度材料为缺陷材料俘获声能 更多，所以中心缺陷材料我们选择了空气。本实施例即采用此最优结构和材料， 即在水银背景中将水柱体按正方形晶格平行排列，结构中每五行五列改变中心 缺陷空气柱体的半径，半径分别取r_d=1.0r₀、r_d=0.7r₀、r_d=0.5r₀、r_d=0.3r₀、 r_d=0。

实施实例：本实施例选择的是水（其弹性参数为：密度ρ=1.0×10³Kg/m³，纵波波速 C_l=1.48×10³m/s）在水银（其弹性参数为：密度ρ=13.5×10³Kg/m³，纵波波速C_l=1.45×10³m/s）背 景中按如上所述的最优结构构成的二维声子晶体。此时声子晶体的能带结构如图1所示。图2为本实施例 的结构的横截面示意图，由两个五层结构单元组成，其中结构的水柱体半径为0.31a，中心缺陷空气柱体 的半径分别取r_d=1.0r₀、r_d=0.7r₀、r_d=0.5r₀、r_d=0.3r₀、r_d=0，小方格的边长晶格 常数为a（a为1～10cm）。图3、4分别为缺陷带频率随中心缺陷空气柱体半径变化能带结构图和能带结 构图中缺陷带p点对应的声压分布图。此实施方案对获得满足某种特定频率要求的声子晶体缺陷的声能俘 获系统方法简单、可设计性强。