[发明专利]通过边界截取调控声波传播路径的方法

说明书

本发明公开了一种通过边界截取调控声波传播路径的方法。在基体二维平面内规则分布若干刚性散射体，通过改变几何参数打破原胞几何及波矢对称性，使布里渊区边界点处的狄拉克锥打开，产生了新的带隙，从而实现调控声波的传播路径。本发明采用边界截取对声波传播路径进行调控，尤其是在前期研究的基础上发现通过确定截取的具体位置，可在所形成的同一边界上实现对带隙频率范围内声波的分段调控，即实现了滤波作用。本发明的边界截取的方式提供了声波调控的新方案，使声波的调控有了更多的选择。

技术领域

本发明涉及声学拓扑超材料的边界态，具体涉及通过边界截取调控声波传播路径的方法，可实现声波的滤波调控。

背景技术

不同于一般的声子晶体，对拓扑绝缘体而言，材料参数对能带结构没有至关重要的作用，而结构的对称性却起着决定性的作用。对称性的改变包含两种方式，一种是时间反演对称性，一种是单胞结构的对称性。时间反演对称性一般是通过在结构中引入水流、气流或者旋转陀螺来实现的，这种物理机制来源于量子霍尔效应，由此构建的拓扑绝缘体支持声波/弹性波沿着单一结构边界及叠合界面单向传播，并且传播方向可以通过水流、气流或者旋转陀螺的方向来调控；在保持时间反演对称性的情况下，根据自旋霍尔效应同样可以实现单向传播，传播方向由自旋方向决定；保持时间反演对称性，通过打破结构的对称性来实现的谷霍尔效应不同于二者的是，此种方式构造的拓扑绝缘体是支持双向传播的。

拓扑边界态分为两种：1)位于单一结构的边界；2)位于两种拓扑性质不同的结构叠合的交界面处。我们经大量研究发现通过谷霍尔效应构造拓扑绝缘体，可以利用边界的选取实现波的单向传播、双向传播及沿着特定路径传播，可实现对波传播的多种形式的调控。不同拓扑性质的结构进行叠合，在叠合界面处一定会存在界面态，由声谷霍尔效应构建的拓扑绝缘体在叠合界面处支持声波的双向传播。且发现在单一结构中，边态的存在是与边界的形式息息相关的。通过改变边界的形式即采用沿着同一排散射体的中心截取形成边界，或者沿着同一排基体中同一水平位置等边三角形的中心截取形成边界，可以调控边界态的有无，由此可以实现对声波传播路径的调控。但是前期研究并未能实现对带隙频率范围内声波的分段调控，无法实现滤波作用，我们通过进一步的研究发现，针对一给定的声学拓扑超材料，只需在某段特定的位置范围内进行截取边界，即可基于该同一边界实现对不同频率范围的声波进行调控，即实现滤波。

发明内容

本发明的目的在于针对由声谷霍尔机制构造的声学拓扑超材料，提供一种通过边界截取调控声波传播路径的方法，该方案可以成功通过改变边界形式达到调控作用，尤其是可以实现对声波的滤波功能。

本发明根据声谷霍尔效应通过打破结构及波矢方向对称性，构造了具有鲁棒特性的拓扑绝缘体，根据背散射抑制的特性，可以使带隙范围内的声波沿着特殊形状的叠合界面双向传播。传统的拓扑超材料研究重心在于叠合界面的界面态，边界态的存在与否似乎是随机的，有时存在有时不存在，没有进行系统研究分析。本发明从边界的形式出发，分析了边界态的存在情况与边界选取之间的关系，尤其是在同一边界上实现了对声波的分段调控，实现滤波功能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

通过边界截取调控声波传播路径的方法，如下：

1)基于声谷霍尔效应构建拓扑绝缘体；

2)通过在所构建拓扑绝缘体的不同位置截取形成不同的边界，可以实现对声波传播路径进行多种调控，且可通过边界截取控制不同频率范围的声波的输出位置，实现滤波作用。

上述方法中，所构建的拓扑绝缘体其结构如下：