局域共振型的声子晶体及声子晶体器件

1.本实用新型涉及声学传输加工的技术领域，更具体地，涉及一种局域共振型的声子晶体及声子晶体器件。


背景技术：

2.声子晶体(phononic crystals)是指存在弹性波带隙、弹性常数及密度周期性分布的材料或者结构。在声子晶体内部，材料组分的弹性常数、质量密度等参数发生周期性变化，按其结构在直角坐标系中三个正交方向上的周期性，可分为一维，二维，三维声子晶体。目前，声子晶体已经被应用到很多领域，如用于结构的隔震、降噪以及声学波的控制传输等，以提高各类器件的性能及寿命。
3.声子晶体的重要特征是声子禁带(或称声波带隙)，即在该频率范围内弹性波 (声波)不能穿过声子晶体，或者说在该频率范围内不存在声子能态。关于弹性波(声波)禁带的产生机理主要有两种：布拉格散射和局域共振，布拉格散射机理是建立在材料的周期性结构基础上的，即周期变化的材料特性与弹性波相互作用，使得某些频率的波没有对应的振动模式，也就不能传播对应的声波，从而产生禁带。局域共振理论强调的是单个散射体的特殊结构对波的作用，即在特定频率的弹性波激励下，单个散射体产生共振，并与入射波相互作用，使其不能继续传播。
4.目前设计的声子晶体发挥作用的频率基本落在布拉格散射带隙之中，即和晶格常数可比拟。而由于声学功能器件所针对的频率范围为人耳可听范围(约 20hz～20khz)且工作背景一般为空气(声速约343m/s)，其所对应的晶格常数达到了米量级，不利于实际集成应用，而局域共振带隙对应的频率往往比布拉格带隙对应的频率低一个数量级以上，所以此时的晶格常数也降低了一个数量级以上，因而更具有实用价值。2020年12月15日，中国专利(公开号：cn112086083a) 中公开了一种声子晶体晶胞结构，此专利中设计了一种基于弹簧振子的声子晶体晶胞结构，将声子晶体简化成一个弹簧重物系统，利用弹簧部件的振动增强声子晶体的共振体的谐振能力，有效调节、改变声子晶体的禁带频率和宽度，克服了现有研究采用增加声子晶体晶胞结构的几何参数的方式增强共振体的谐振能力，增强幅度有限且过大的几何参数使声子晶体器件不利于实际应用的缺陷。


技术实现要素：

5.为解决现有声子晶体对应的频率数量级较大不利于实际集成应用的问题，本实用新型提出了一种基于局域共振的声子晶体及声子晶体器件，设计的声子晶体对应的频率数量级低，但能实现“小尺寸控制大波长”的目的，提高了实用价值。
6.为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：
7.一种局域共振型的声子晶体，包括：j个晶体单胞结构及第一基体弹性连接部，j为大于1的整数；第j
‑
1个晶体单胞结构与第j个晶体单胞结构之间通过第一基体弹性连接部连接，任意一个晶体晶胞结构均包括损耗散射体单元、增益散射体单元及第二基体弹性连
接部，所述损耗散射体单元通过第二基体弹性连接部连接增益散射体单元，所述损耗散射体单元内部设有施加负虚部单体的第一内核结构，增益散射体单元内部设有施加正虚部单体的第二内核结构。
8.在本技术方案中，若干个晶体单胞结构及第一基体弹性连接部共同组成声子晶体，每一个晶体单胞结构均由损耗散射体单元、增益散射体单元及第二基体弹性连接部组成，即核心的是两个散射体单元，为了使声子晶体满足pt对称条件，两个散射体单元及第二基体弹性连接部作为一个基本的晶体单胞结构，对两个散射体单元分别施加负虚部单体与正虚部单体，负虚部单体、正虚部单体的施加使声子晶体的能带发生简并，能带简并与非简并之间的分界点也称奇异点，奇异点所在的频率位于局域共振带隙，局域共振带隙对应的频率比布拉格带隙对应的频率低一个数量级以上，虽然声子晶体对应的频率数量级低，但能实现“小尺寸控制大波长”的目的，而且奇异点附近一般均能实现非对称传输，有利于实际集成应用，实用价值高。
9.优选地，所述第一基体弹性连接部、第二基体弹性连接部均为弹簧，弹性系数均为k，即若干个晶体单胞结构之间可以通过弹性系数为k的弹簧连接，损耗散射体单元与增益散射体单元之间也可以通过弹性系数为k的弹簧连接，第一基体弹性连接部、第二基体弹性连接部选用的材料可以相同。
10.优选地，任意一个晶体单胞结构的损耗散射体单元包括第一单胞包层体、第一内核体及第一弹性连接部，第一内核体及第一弹性连接部组成第一内核结构，第一单胞包层体为空心球状，第一内核体设置于单胞包层体的内部，第一内核体的外表面通过第一弹性连接部连接第一单胞包层体的内表面。
11.优选地，任意一个晶体单胞结构的增益散射体单元包括第二单胞包层体、第二内核体及第二弹性连接部，第二内核体及第二弹性连接部组成第二内核结构，第二单胞包层体为空心球状，第二内核体设置于第二单胞包层体的内部，第二内核体的外表面通过第二弹性连接部连接第二单胞包层体的内表面。
12.优选地，第一弹性连接部及第二弹性连接部均为弹簧。
13.优选地，任意一个晶体单胞结构的损耗散射体单元包括由软质橡胶制作而成的第一单胞包层体及由环氧树脂制作而成的第一内核结构；所述第一单胞包层体呈空心球状，第一内核结构为实心球状，第一内核结构的外表面与第一单胞包层体的内表面相接触。
14.优选地，任意一个晶体单胞结构的增益散射体单元包括由软质橡胶制作而成的第二单胞包层体及由环氧树脂制作而成的第二内核结构；所述第二单胞包层体呈空心球状，第二内核结构为实心球状，第二内核结构的外表面与第二单胞包层体的内表面相接触；软质橡胶制作成的第一单胞包层体的拉梅常数施加正虚部单体，软质橡胶制作成的第二单胞包层体的拉梅常数施加负虚部单体。
15.优选地，第一基体弹性连接部、第二基体弹性连接部均能等效为水
16.本实用新型还提出一种局域共振型的声子晶体器件，所述声子晶体器件包括所述的局域共振型的声子晶体。
17.与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
18.本实用新型提出一种局域共振型的声子晶体及声子晶体器件，所述声子晶体包括若干个晶体单胞结构及第一基体弹性连接部，为了使声子晶体满足pt对称条件，每一个晶
体单胞结构均由损耗散射体单元、增益散射体单元及第二基体弹性连接部组成，对两个散射体单元分别施加负虚部单体与正虚部单体，负虚部单体、正虚部单体的施加使声子晶体的能带发生简并，能带简并与非简并之间的分界点所在的频率位于局域共振带隙，局域共振带隙对应的频率比布拉格带隙对应的频率低一个数量级以上，虽然声子晶体对应的频率数量级低，但能实现“小尺寸控制大波长”的目的，而且分界点附近一般均能实现非对称传输，有利于实际集成应用，实用价值高。
附图说明
19.图1表示本实用新型实施例中提出的局域共振型的声子晶体的结构示意图；
20.图2表示本实用新型实施例中提出的另一种晶体单胞结构的结构示意图；
21.图3表示以本实用新型实施例中提出的图3所示的另一种晶体单胞结构为例组成的包含6个晶体单胞结构的声子晶体结构示意图。
具体实施方式
22.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
23.为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
24.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
25.下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
26.实施例1
27.附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
28.本实用新型提出一种局域共振型的声子晶体，包括：.j个晶体单胞结构1及第一基体弹性连接部2，j为大于1的整数；第j
‑
1个晶体单胞结构与第j个晶体单胞结构之间通过第一基体弹性连接部2连接，整体结构如图1所示，在本实施例中，参见图1，晶体单胞结构共6个，参见图1，更具体的，任意一个晶体晶胞结构均包括损耗散射体单元11、增益散射体单元12及第二基体弹性连接部3，损耗散射体单元11通过第二基体弹性连接部3连接增益散射体单元12，损耗散射体单元11内部设有施加负虚部单体41的第一内核结构4；增益散射体单元12 内部设有施加正虚部单体51的第二内核结构5，负虚部单体41、正虚部单体51 的施加使声子晶体的能带发生简并，能带简并与非简并之间的分界点所在的频率位于局域共振带隙。
29.具体的，第一基体弹性连接部2、第二基体弹性连接部3均为弹簧，弹性系数均为k，参见图1，损耗散射体单元11包括第一单胞包层体111、第一内核体 112及第一弹性连接部113，第一内核体112及第一弹性连接部113组成第一内核结构4，第一单胞包层体111为空心球状，第一内核体112设置于单胞包层体 111的内部，第一内核体112的外表面通过第一弹性连接部113连接第一单胞包层体111的内表面；增益散射体单元12包括第二单胞包层体121、第二内核体 122及第二弹性连接部123，第二内核体122及第二弹性连接部123组成第二内核结构5，第二单胞包层体121为空心球状，第二内核体122设置于第二单胞包层体121的内部，第二内核体122的外表面通过第二弹性连接部123连接第二单胞包层体121的内表面。
30.另一种优选地等效具体实施方式如图2所示，在晶体单胞结构的损耗散射体单元11中，第一内核体112及第一弹性连接部113组成第一内核结构4直接由环氧树脂制作而成，密度1180kg/m3，第一单胞包层体111由软质橡胶制作而成，密度1180kg/m3，参见图2，第一单胞包层体111呈空心球状，第一内核结构4为实心球状，第一内核结构4的外表面与第一单胞包层体111的内表面相接触。同样在晶体单胞结构的增益散射体单元12中，第二内核体122及第一弹性连接部123组成第二内核结构5直接由环氧树脂制作而成，密度为1180kg/m3，第一单胞包层体121由软质橡胶制作而成，密度1180kg/m3，第二单胞包层体 121呈空心球状，第二内核结构5为实心球状，第二内核结构5的外表面与第二单胞包层体121的内表面相接触，为了等效，对软质橡胶制作成的第一单胞包层体121的拉梅常数施加正虚部单体51，对软质橡胶制作成的第二单胞包层体121 的拉梅常数施加负虚部单体41，满足pt对称条件，这时，图2所示的晶体单胞结构组成包含6个晶体单胞结构的声子晶体结构示意图如图3所示，第一基体弹性连接部2、第二基体弹性连接部3此时均能等效为水，由本实用新型设计的声子晶体可以构成多种实用的声子晶体器件。
31.附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
32.显然，本实用新型的上述实施例仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。