[发明专利]一种宽入射角亚波长水声单向传输器件及传输控制方法

权利要求书

1.一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，由一维流/固型声栅和级联流/固型超晶格耦合而成，所述级联流/固型超晶格由流/固超晶格1和流/固超晶格2级联组成；所述流/固超晶格1和流/固超晶格2级分别为若干层；所述一维流/固型声栅为所述器件的入射面，所述级联流/固型超晶格为所述器件的出射面。

2.根据权利要求1所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述流/固超晶格1和流/固超晶格2级分别为3层。

3.根据权利要求1所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述器件的厚度小于入射声波波长。

4.根据权利要求1所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述声栅的长度l＝15mm，所述声栅之间的间隙为15mm，形成声栅周期常数A＝30mm；所述声栅的厚度为d_g＝2mm，所述声栅与声子晶体的耦合距离d₀＝1mm；所述流/固超晶格1和流/固超晶格2的厚度均为3.8mm,所述3个流/固超晶格1之间的间隙和3个流/固超晶格2之间的间隙、以及流/固超晶格1和流/固超晶格2之间的间隙均为0.2mm，形成晶格周期常数D＝4mm；所述整个器件的厚度为27mm。

5.根据权利要求4所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述器件可以在入射面所述在的平面上无限延伸。

6.根据权利要求1所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述一维流/固型声栅的固体材料为密度大于水的材料，其横波声速大于水的纵波声速。

7.根据权利要求6所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述一维流/固型声栅的固体材料可为不锈钢、铜或铝等高阻抗金属材料。

8.根据权利要求1所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述一维流/固型声子晶体的固体材料为密度与水相近的材料，其横波声速小于水的纵波声速。

9.根据权利要求8所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件，其特征在于，所述级联流/固型超晶格中流/固超晶格1的固体材料为环氧树脂、流/固超晶格2的固体材料为硬橡胶。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种宽入射角亚波长水声单向传输器件的亚波长水声单向控制方法，其特征在于，

当亚波长水声声波以一定的角度入射到该器件的声栅一侧时，亚波长水声声波与声栅发生相互作用产生衍射波，其衍射波满足衍射方程

A(sinθ_I±sinθ_d)＝kλ k＝0,±1,±2,…

其中A是声栅常数，λ是声波的波长，θ_I和θ_d分别是入射角和衍射角；

当频率为27-53kHz的平面声波以θ_I＝44°-62°范围内的角度入射到声栅时，衍射波由k＝0阶和k＝-1阶衍射波组成，其中k＝-1阶衍射波的方向偏离了原来的44°-62°角范围，k＝0阶衍射波沿原来的方向传播；

当频率为27-53kHz的声波以θ_I＝44°-62°的角度反向入射该级联流/固型超晶格时，处于超晶格的传输禁带中，该范围内的声波不能通过声子晶体；

即，当频率为27-53kHz的声波以θ_I＝44°-62°的角度从声栅一侧入射该器件时，k＝0阶衍射波几乎被超晶格全部反射，仅有k＝-1阶衍射波由于改变了原来的传播方向，能够通过超晶格，从而形成正向导通；当同样频率和角度范围内的声波从级联流/固型超晶格一侧入射该亚波长结构时，入射声波的角度及频率处于超晶格的传输禁带中，入射声波将几乎被全部反射回去，从而形成反向截止；

其中，当27-53kHz频率范围内的声波波长为28-56mm时，为该器件厚度的1.04-2.07倍，实现亚波长；

当频率为27-53kHz的亚波长声波以44°-62°的角度入射该器件时形成的正向导通和反向截止，实现亚波长声波的单向传输。