[实用新型]局域共振型的声子晶体及声子晶体器件

说明书

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，解决了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，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，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，有利于实际集成应用，实用价值高。

技术领域

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

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。

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。

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。

实用新型内容

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。

为了达到上述技术效果，本实用新型的技术方案如下：

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。