基于声学超流体棱镜的单向负折射装置制造方法
【专利摘要】基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，涉及单向负折射超流体棱镜及单向负折射效应的测试装置，本发明为了解决现有声学负折射效应的带宽窄及缺少实现低损耗单向负折射的超流体棱镜及其测试装置的问题，本发明包括功率放大器、信号发生器、计算机和示波器，计算机的控制信号与信号发生器的控制信号的输入端连通，信号发生器与功率放大器连通，示波器与计算机连通，它还包括声源阵列、单向导通器件和声探测器，声源阵列、单向导通器件和声探测器依次串接在声路中，声源阵列的声波信号的输入端与功率放大器的声波信号的输出端连通，声探测器的声波信号的输出端与示波器的声波信号的输入端连通。本发明适用于基于声学超流体棱镜的单向负折射测试装置。
【专利说明】基于声学超流体棱镜的单向负折射装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及声学超材料及基于该超流体棱镜的单向负折射装置。
【背景技术】
[0002]声学超材料作为一种声学人工介质，已经被广泛研究并被用于操纵声波按照自己设计的方式传播，例如声隐身、完美声聚焦、声单向传输等都是利用超材料来操纵声波的。最典型的声学超材料是体弹性模量和质量密度均为负的超材料，这种材料也被称为负折射率材料。在上述负折射率材料和普通的双正材料的交界面处，声波会沿着和我们预想的相反的方向发生折射，我们称之为负折射。同时在声学非正定介质的研究表明，声学非正定介质也可以用来实现声学负折射，此种声学负折射的实现只需要声学材料密度张量中的4个量中的一个值为负即可，而并不需要密度张量在各个方向上均为负。由于这种非正定介质的高度各向异性，其色散曲线成双曲特性分布，我们可以通过层叠动态质量密度分别为正和负的均匀介质来构成上述非正定介质。然而，这种材料的负折射效应只能在材料共振频率附近的极小的频率范围内实现，因此，其负折射效应的带宽是比较窄的。
[0003]最近，受到电二极管对现代科学深远影响的启发，研究者们开始致力于声学波单向传输的研究。通过打破时间反演或者空间反演对称性，许多新颖的结构被提出并从实验上给予验证，例如声整流器、声二极管、声隔离器等。通过打破空间或者时间反演对称性，同样有助于研究其它形式的声单向传输效应。目前对单向负折射的装置仍处于研究阶段，还没有能在较宽频带范围内实现低损耗、单向负折射的装置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有声学负折射效应的带宽窄及缺少实现低损耗单向负折射的超流体棱镜及其测试装置的问题，提供一种基于声学超流体棱镜的单向负折射装置。
[0005]基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，它包括功率放大器、信号发生器、计算机和示波器，计算机的声波启动控制信号的输出端与信号发生器的声波启动控制信号的输入端连通，信号发生器的声波信号的输出端与功率放大器的声波信号输入端连通，示波器的信号输出端与计算机的接收波形信号的输入端连通，它还包括声源阵列、单向导通器件和声探测器，声源阵列、单向导通器件和声探测器依次顺序串接在声路中，声源阵列的声波信号的输入端与功率放大器的声波信号的输出端连通，声探测器的声波信号的输出端与不波器的声波信号的输入端连通。
[0006]本发明通过声源阵列发出平行声束，平行声束进入单向导通器件，利用单向导通器件的单向负折射的特征，使声探测器在单向导通器件的负折射出射位置处接收到声波信息；而从负折射出射位置处入射的平行声束，并没有沿着负折射所示的路径返回，而是发生了正折射。综上我们可以得出单向导通器件实现了单向导通声波的特性，即可将其看做声
二极管。【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明的结构示意图，图2为【具体实施方式】三中单向导通器件的单向负折射的示意图，图3为【具体实施方式】三中沿单向导通器件负折射出射路径原路返回的声束的正折射示意图，图4为【具体实施方式】三中单轴声学超流体棱镜的实体图片，图5为【具体实施方式】三中不同频率下的正负折射角度的分布示意图。
【具体实施方式】
[0008]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，它包括功率放大器1、信号发生器2、计算机3和示波器4，计算机3的声波启动控制信号的输出端与信号发生器2的声波启动控制信号的输入端连通，信号发生器2的声波信号的输出端与功率放大器I的声波信号输入端连通，不波器4的信号输出端与计算机3的接收波形信号的输入端连通，它还包括声源阵列5、单向导通器件6和声探测器7，声源阵列5、单向导通器件6和声探测器7依次顺序串接在声路中，声源阵列5的声波信号的输入端与功率放大器I的声波信号的输出端连通，声探测器7的声波信号的输出端与示波器4的声波信号的输入端连通。
[0009]【具体实施方式】二:结合图1说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置的进一步限定，声源阵列5由多个GETTOPSR151135LE 组成。
[0010]通过多个GETTOP SR151135LE小声源等间隔排列，组成线阵列来模拟输出我们所
需要的平行声束。
[0011]【具体实施方式】三:结合图2至图5说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置的进一步限定，单向导通器件6采用单轴声学超流体棱镜。`
[0012]图2为声学单向负折射的示意图。浅色区域为背景基质一空气；深色区域为单轴声学超流体棱镜。通过线源产生的两束平行声束分别位于棱镜边缘的两侧。由于该超流体的各向异性特性，因此我们能够很容易实现平行于和垂直于声学轴6-1的相速度的较大差异性:在一个特定的情况下(如入射角度)，我们可以设计平行于声学轴6-1的相速度u p=k?/|k|2趋近于O;垂直于声学轴6-1的相速度为up=C(l。因此，在这种结构中声能流
的传输方向(也可称为群速度方向)需要垂直于声学轴6-1 =ViJW,其中，k为波矢，ω为
频率，CO声场在空气中的传播速度。如图2所示，空气中声场在特定角度斜入射情况下，经历一个负折射路径进入超流体棱镜，这就是基于上述超流体棱镜中群速度的方向必须是垂直于声学轴6-1而实现的负折射效应。然而，如图3所示，按照负折射出射路径原路返回的声束却发生了正折射，这种单向负折射的发生来源于打破了相速度矢量的对称性。在超流体棱镜中群速度是沿着特定的方向的，但相速度矢量却需要满足波矢在棱镜与空气交界处切向分量的连续性，因此可以说，在满足声场在两种不同介质交界面处切向分量连续性的情况下，左入射和右入射由于(即负折射和正折射)不同入射角所带来的波矢反演对称性的破坏，实现了上述单向负折射效应。[0013]自然界中，液体和固体不同，一般的液体都是各向同性的介质，但是，利用厚度为深亚波长尺度的各向同性介质来层叠构成各向异性的声学超流体材料却是可行的。由于本发明中构成上述超流体棱镜的介质是阻抗对比相差较大的空气和钢，我们可以借助上述介质来制作我们的各向异性的超流体棱镜。在声场传输的过程中，由于钢相对于空气而言是比较坚硬的，因此我们可以认为钢是一种钢性流体。超流体基质中的波动方程可以用下述方程来描述:
【权利要求】
1.基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，它包括功率放大器(I)、信号发生器(2)、计算机(3)和示波器(4)，计算机(3)的声波启动控制信号的输出端与信号发生器(2)的声波启动控制信号的输入端连通，信号发生器(2)的声波信号的输出端与功率放大器(I)的声波信号输入端连通，示波器(4)的信号输出端与计算机(3)的接收波形信号的输入端连通，其特征在于，它还包括声源阵列(5)、单向导通器件(6)和声探测器(7)，声源阵列(5)、单向导通器件(6)和声探测器(7)依次顺序串接在声路中，声源阵列(5)的声波信号的输入端与功率放大器(I)的声波信号的输出端连通，声探测器(7)的声波信号的输出端与示波器(4)的声波信号的输入端连通。
2.根据权利要求1所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，其特征在于，声源阵列(5)由多个GETTOP SR151135LE等间隔线性排列组成。
3.根据权利要求1所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，其特征在于，单向导通器件(6)采用单轴超流体棱镜，该超流体棱镜的材料来源于空气层和薄钢片相互层叠排列组成的一种超流体材料。
4.根据权利要求1所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，其特征在于，信号发生器(2)采用 SRS MODEL DS345。
5.根据权利要求1所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，其特征在于，声探测器(7)采用 GETTOP B0M6015GL。
6.根据权利要求1所述基于声学超流体棱镜的单向负折射装置，其特征在于，示波器(4)采用 Tektronix TDS5052。
【文档编号】G01H17/00GK103761962SQ201410024769
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】刘盛春, 祝雪峰, 李坤, 彭玉桂, 张云龙, 张金涛 申请人:黑龙江大学