[发明专利]一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件

说明书

本发明提供了一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，包括金属板状复合结构和水，所述金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括平行设置的两块金属平板和两块一维周期性栅格板，两块所述金属平板位于中心处，两块所述一维周期性栅格板分别位于两侧，所述一维周期性栅格板设有至少5个栅格。本发明实现了多频带声波的非对称透射；所述多频带声波非对称透射器件尺寸在毫米量级，结构简单易加工制备，有利于推广应用；所述非对称透射频带较宽，共有4个非对称透射频带，且部分非对称透射频带的正向透射率(从左侧入射的声波)可达80％；所述非对称透射频带范围广。

技术领域

本发明属于声学超材料领域，尤其是涉及一种多频带声波非对称透射器件。

背景技术

声波是现实生活中常见的能量载体，声波在通常介质中传输是双向的，即声波分别从介质的两侧入射时，其透射性能没有区别。如果声波非对称透射可以实现，可运用于各种需要对声能量实现特殊控制的重要场合，例如：在B超超声成像的过程中，首先向体内发射超声波，反射的声波会被接收装置接收，通过分析反射声波信号得到体内器官或胎儿的超声图像，从而检测体内器官的健康程度或胎儿的发育情况。然而，部分反射声波会对入射声波形成干扰，从而降低B超成像的对比度及分辨率。因此，如果能够设计出声波非对称透射器件，使得这些声波不再被反射回声源，将有助于提高医学超声成像的质量。此外，声波非对称透射效应还可用于单向声屏障的设计与制造，聚焦超声治疗及特殊工业技术应用等领域。综上所述，声波非对称透射器件的研制具有十分重要的学术价值和应用前景。

目前，国内外研究人员主要采用非线性介质或特殊线性系统来研制声波非对称透射器件。

(1)利用非线性介质对声波产生的倍频或分频效应，同时结合声子晶体频率带隙的选择机制可以实现声波非对称透射。当声波从非线性介质一侧入射时，声波频率会转化为倍频，倍频后的声波频率在声子晶体通带中，可以通过复合结构；而当该频率的声波从声子晶体一侧入射时，声波频率在声子晶体禁带中，则很难通过声子晶体，从而实现声波非对称透射。

(2)设计特殊的线性系统实现声波非对称透射。例如：衍射结构与二维声子晶体构成的线性系统；其中，衍射结构用来改变声波传播方向，而二维声子晶体的方向带隙特性，可以实现对不同方向的声波选择性通过。当声波垂直入射于衍射结构时，产生不同方向的衍射声波，衍射声波的传播方向在声子晶体的方向通带中，可以通过声子晶体，并分布在不同方向上；而当声波从声子晶体一侧垂直入射时，声波在声子晶体方向禁带中，则很难通过声子晶体，从而实现声波非对称透射。在此基础上，基于声子晶体的禁带特性，研究人员又提出兰姆波型板状声子晶体、非对称三角形结构声子晶体、弯曲波导管结构声子晶体、梯度折射结构声子晶体等线性系统实现了声波非对称透射。

然而上述现有技术中存在以下不足：当声波通过非线性介质时，声波会产生倍频效应，使得入射声波频率发生改变；且非线性介质的倍频转换效率很低，从而引起非对称透射效应的正向透射率极低；基于声子晶体的方向禁带特性可以实现声波非对称透射，然而，声子晶体需要一定的周期才会产生禁带特性，所以不可避免地导致线性系统的尺寸较大，结构较复杂；由于实现声波非对称透射效应需要非常严格的条件，因此，现有的声波非对称传输器件的频带较窄，且一般只存在一个非对称透射频带。

发明内容

针对现有技术中传统声波非对称透射器件存在正向透射率低，非对称透射频带窄且数目少，尺寸大、结构复杂、不易加工等不足，本发明提供了一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，该器件的正向透射率高、声波非对称透射频带宽且数目较多、结构简单易实现。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于金属板状复合结构的多频带声波非对称透射器件，包括金属板状复合结构和水，所述金属板状复合结构浸没在水中；所述金属板状复合结构包括平行设置的两块金属平板和两块一维周期性栅格板，两块所述金属平板位于中心处，两块所述一维周期性栅格板分别位于两侧，所述一维周期性栅格板设有至少5个栅格。