基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，涉及單向負(fù)折射超流體棱鏡及單向負(fù)折射效應(yīng)的測(cè)試裝置，本發(fā)明為了解決現(xiàn)有聲學(xué)負(fù)折射效應(yīng)的帶寬窄及缺少實(shí)現(xiàn)低損耗單向負(fù)折射的超流體棱鏡及其測(cè)試裝置的問(wèn)題，本發(fā)明包括功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)和示波器，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器的控制信號(hào)的輸入端連通，信號(hào)發(fā)生器與功率放大器連通，示波器與計(jì)算機(jī)連通，它還包括聲源陣列、單向?qū)ㄆ骷吐曁綔y(cè)器，聲源陣列、單向?qū)ㄆ骷吐曁綔y(cè)器依次串接在聲路中，聲源陣列的聲波信號(hào)的輸入端與功率放大器的聲波信號(hào)的輸出端連通，聲探測(cè)器的聲波信號(hào)的輸出端與示波器的聲波信號(hào)的輸入端連通。本發(fā)明適用于基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射測(cè)試裝置。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聲學(xué)超材料及基于該超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]聲學(xué)超材料作為一種聲學(xué)人工介質(zhì)，已經(jīng)被廣泛研究并被用于操縱聲波按照自己設(shè)計(jì)的方式傳播，例如聲隱身、完美聲聚焦、聲單向傳輸?shù)榷际抢贸牧蟻?lái)操縱聲波的。最典型的聲學(xué)超材料是體彈性模量和質(zhì)量密度均為負(fù)的超材料，這種材料也被稱(chēng)為負(fù)折射率材料。在上述負(fù)折射率材料和普通的雙正材料的交界面處，聲波會(huì)沿著和我們預(yù)想的相反的方向發(fā)生折射，我們稱(chēng)之為負(fù)折射。同時(shí)在聲學(xué)非正定介質(zhì)的研究表明，聲學(xué)非正定介質(zhì)也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)負(fù)折射，此種聲學(xué)負(fù)折射的實(shí)現(xiàn)只需要聲學(xué)材料密度張量中的4個(gè)量中的一個(gè)值為負(fù)即可，而并不需要密度張量在各個(gè)方向上均為負(fù)。由于這種非正定介質(zhì)的高度各向異性，其色散曲線成雙曲特性分布，我們可以通過(guò)層疊動(dòng)態(tài)質(zhì)量密度分別為正和負(fù)的均勻介質(zhì)來(lái)構(gòu)成上述非正定介質(zhì)。然而，這種材料的負(fù)折射效應(yīng)只能在材料共振頻率附近的極小的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此，其負(fù)折射效應(yīng)的帶寬是比較窄的。
[0003]最近，受到電二極管對(duì)現(xiàn)代科學(xué)深遠(yuǎn)影響的啟發(fā)，研究者們開(kāi)始致力于聲學(xué)波單向傳輸?shù)难芯?。通過(guò)打破時(shí)間反演或者空間反演對(duì)稱(chēng)性，許多新穎的結(jié)構(gòu)被提出并從實(shí)驗(yàn)上給予驗(yàn)證，例如聲整流器、聲二極管、聲隔離器等。通過(guò)打破空間或者時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性，同樣有助于研究其它形式的聲單向傳輸效應(yīng)。目前對(duì)單向負(fù)折射的裝置仍處于研究階段，還沒(méi)有能在較寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低損耗、單向負(fù)折射的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有聲學(xué)負(fù)折射效應(yīng)的帶寬窄及缺少實(shí)現(xiàn)低損耗單向負(fù)折射的超流體棱鏡及其測(cè)試裝置的問(wèn)題，提供一種基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置。
[0005]基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，它包括功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)和示波器，計(jì)算機(jī)的聲波啟動(dòng)控制信號(hào)的輸出端與信號(hào)發(fā)生器的聲波啟動(dòng)控制信號(hào)的輸入端連通，信號(hào)發(fā)生器的聲波信號(hào)的輸出端與功率放大器的聲波信號(hào)輸入端連通，示波器的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)的接收波形信號(hào)的輸入端連通，它還包括聲源陣列、單向?qū)ㄆ骷吐曁綔y(cè)器，聲源陣列、單向?qū)ㄆ骷吐曁綔y(cè)器依次順序串接在聲路中，聲源陣列的聲波信號(hào)的輸入端與功率放大器的聲波信號(hào)的輸出端連通，聲探測(cè)器的聲波信號(hào)的輸出端與不波器的聲波信號(hào)的輸入端連通。
[0006]本發(fā)明通過(guò)聲源陣列發(fā)出平行聲束，平行聲束進(jìn)入單向?qū)ㄆ骷脝蜗驅(qū)ㄆ骷膯蜗蜇?fù)折射的特征，使聲探測(cè)器在單向?qū)ㄆ骷呢?fù)折射出射位置處接收到聲波信息；而從負(fù)折射出射位置處入射的平行聲束，并沒(méi)有沿著負(fù)折射所示的路徑返回，而是發(fā)生了正折射。綜上我們可以得出單向?qū)ㄆ骷?shí)現(xiàn)了單向?qū)暡ǖ奶匦?，即可將其看做?br> 二極管?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為【具體實(shí)施方式】三中單向?qū)ㄆ骷膯蜗蜇?fù)折射的示意圖，圖3為【具體實(shí)施方式】三中沿單向?qū)ㄆ骷?fù)折射出射路徑原路返回的聲束的正折射示意圖，圖4為【具體實(shí)施方式】三中單軸聲學(xué)超流體棱鏡的實(shí)體圖片，圖5為【具體實(shí)施方式】三中不同頻率下的正負(fù)折射角度的分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，它包括功率放大器1、信號(hào)發(fā)生器2、計(jì)算機(jī)3和示波器4，計(jì)算機(jī)3的聲波啟動(dòng)控制信號(hào)的輸出端與信號(hào)發(fā)生器2的聲波啟動(dòng)控制信號(hào)的輸入端連通，信號(hào)發(fā)生器2的聲波信號(hào)的輸出端與功率放大器I的聲波信號(hào)輸入端連通，不波器4的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)3的接收波形信號(hào)的輸入端連通，它還包括聲源陣列5、單向?qū)ㄆ骷?和聲探測(cè)器7，聲源陣列5、單向?qū)ㄆ骷?和聲探測(cè)器7依次順序串接在聲路中，聲源陣列5的聲波信號(hào)的輸入端與功率放大器I的聲波信號(hào)的輸出端連通，聲探測(cè)器7的聲波信號(hào)的輸出端與示波器4的聲波信號(hào)的輸入端連通。
[0009]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置的進(jìn)一步限定，聲源陣列5由多個(gè)GETTOPSR151135LE 組成。
[0010]通過(guò)多個(gè)GETTOP SR151135LE小聲源等間隔排列，組成線陣列來(lái)模擬輸出我們所
需要的平行聲束。
[0011]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖2至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置的進(jìn)一步限定，單向?qū)ㄆ骷?采用單軸聲學(xué)超流體棱鏡。`
[0012]圖2為聲學(xué)單向負(fù)折射的示意圖。淺色區(qū)域?yàn)楸尘盎|(zhì)一空氣；深色區(qū)域?yàn)閱屋S聲學(xué)超流體棱鏡。通過(guò)線源產(chǎn)生的兩束平行聲束分別位于棱鏡邊緣的兩側(cè)。由于該超流體的各向異性特性，因此我們能夠很容易實(shí)現(xiàn)平行于和垂直于聲學(xué)軸6-1的相速度的較大差異性:在一個(gè)特定的情況下(如入射角度)，我們可以設(shè)計(jì)平行于聲學(xué)軸6-1的相速度u p=k?/|k|2趨近于O;垂直于聲學(xué)軸6-1的相速度為up=C(l。因此，在這種結(jié)構(gòu)中聲能流
的傳輸方向(也可稱(chēng)為群速度方向)需要垂直于聲學(xué)軸6-1 =ViJW,其中，k為波矢，ω為
頻率，CO聲場(chǎng)在空氣中的傳播速度。如圖2所示，空氣中聲場(chǎng)在特定角度斜入射情況下，經(jīng)歷一個(gè)負(fù)折射路徑進(jìn)入超流體棱鏡，這就是基于上述超流體棱鏡中群速度的方向必須是垂直于聲學(xué)軸6-1而實(shí)現(xiàn)的負(fù)折射效應(yīng)。然而，如圖3所示，按照負(fù)折射出射路徑原路返回的聲束卻發(fā)生了正折射，這種單向負(fù)折射的發(fā)生來(lái)源于打破了相速度矢量的對(duì)稱(chēng)性。在超流體棱鏡中群速度是沿著特定的方向的，但相速度矢量卻需要滿(mǎn)足波矢在棱鏡與空氣交界處切向分量的連續(xù)性，因此可以說(shuō)，在滿(mǎn)足聲場(chǎng)在兩種不同介質(zhì)交界面處切向分量連續(xù)性的情況下，左入射和右入射由于(即負(fù)折射和正折射)不同入射角所帶來(lái)的波矢反演對(duì)稱(chēng)性的破壞，實(shí)現(xiàn)了上述單向負(fù)折射效應(yīng)。[0013]自然界中，液體和固體不同，一般的液體都是各向同性的介質(zhì)，但是，利用厚度為深亞波長(zhǎng)尺度的各向同性介質(zhì)來(lái)層疊構(gòu)成各向異性的聲學(xué)超流體材料卻是可行的。由于本發(fā)明中構(gòu)成上述超流體棱鏡的介質(zhì)是阻抗對(duì)比相差較大的空氣和鋼，我們可以借助上述介質(zhì)來(lái)制作我們的各向異性的超流體棱鏡。在聲場(chǎng)傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于鋼相對(duì)于空氣而言是比較堅(jiān)硬的，因此我們可以認(rèn)為鋼是一種鋼性流體。超流體基質(zhì)中的波動(dòng)方程可以用下述方程來(lái)描述:
【權(quán)利要求】
1.基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，它包括功率放大器(I)、信號(hào)發(fā)生器(2)、計(jì)算機(jī)(3)和示波器(4)，計(jì)算機(jī)(3)的聲波啟動(dòng)控制信號(hào)的輸出端與信號(hào)發(fā)生器(2)的聲波啟動(dòng)控制信號(hào)的輸入端連通，信號(hào)發(fā)生器(2)的聲波信號(hào)的輸出端與功率放大器(I)的聲波信號(hào)輸入端連通，示波器(4)的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)(3)的接收波形信號(hào)的輸入端連通，其特征在于，它還包括聲源陣列(5)、單向?qū)ㄆ骷?6)和聲探測(cè)器(7)，聲源陣列(5)、單向?qū)ㄆ骷?6)和聲探測(cè)器(7)依次順序串接在聲路中，聲源陣列(5)的聲波信號(hào)的輸入端與功率放大器(I)的聲波信號(hào)的輸出端連通，聲探測(cè)器(7)的聲波信號(hào)的輸出端與示波器(4)的聲波信號(hào)的輸入端連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，其特征在于，聲源陣列(5)由多個(gè)GETTOP SR151135LE等間隔線性排列組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，其特征在于，單向?qū)ㄆ骷?6)采用單軸超流體棱鏡，該超流體棱鏡的材料來(lái)源于空氣層和薄鋼片相互層疊排列組成的一種超流體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器(2)采用 SRS MODEL DS345。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，其特征在于，聲探測(cè)器(7)采用 GETTOP B0M6015GL。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聲學(xué)超流體棱鏡的單向負(fù)折射裝置，其特征在于，示波器(4)采用 Tektronix TDS5052。
【文檔編號(hào)】G01H17/00GK103761962SQ201410024769
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】劉盛春, 祝雪峰, 李坤, 彭玉桂, 張?jiān)讫? 張金濤 申請(qǐng)人:黑龍江大學(xué)