通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法及超材料

本发明涉及弹性波超材料的结构设计，提供了一种较为普适的方法，具体涉及一种通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法及超材料，该方法通过改变连接臂的位置，使结构产生新的带隙，同时调控群速度为0的点对应的频率，实现弹性波的可调的定位传输，使弹性波出现彩虹捕获现象。

背景技术：

1、声子晶体超材料因其具有通过结构设计调控弹性波/声波传输路径的优势引起了广泛关注。彩虹捕获现象来源于光学领域，不同波长的光线在物质中的折射率不同，导致不同颜色的光线在不同的角度上被分离出来，形成彩虹。在声波/弹性波领域关于彩虹捕获行为的研究较少，实现彩虹捕获一般采用两种方式，一种是利用带隙特性，一种是群速度为0。带隙特性即改变结构参数，使不同的结构的带隙范围产生差异，利用带隙差异可以使弹性波/声波传输到特定的界面而不再继续向前传播，实现一定频率范围内的波的定位传输；而群速度为0，此时波就会停留在界面处，不再继续向前，产生能量聚集放大的效应。

2、两种不同的方式都可以产生彩虹捕获现象，实现弹性波/声波的定位传输，但也有一定的差异，利用带隙特性产生定位传输现象，相对而言比较容易设计，但此种形式的波在界面处会发生反射，当只给定一个波包时就会发现所有的能量在界面处发生反射，不会停留，而利用群速度为0这一特性，波在界面处同样会发生反射，但不同的是，同时有大部分的能量会停留在边界处，产生能量聚集，此种形式产生的彩虹捕获现象更有益于工程中的俘能设计，有更广泛的应用前景。不同于声波，弹性波是一种矢量波，由于波不同模态之间的耦合，想要实现对频散曲线的设计，结构调整更为复杂，难度更大，在一维声子晶体中想要同时具有零群速度以及面内模态之间解耦产生新的带隙具有很大的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对弹性波声子晶体超材料，提供一种通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法及超材料，是一种通过调控连接臂的位置实现彩虹捕获的新方法，此构型对应的频散关系曲线具有一定的特殊性，该方案可以成功通过改变连接臂的位置，调控带隙及群速度为0时对应的频率，从而实现弹性波的定位传输，并且此构型具有一定的普适性，变换结构中连接臂所连接的几何形状，同样可以实现彩虹捕获现象，达到同样的目的。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法，包括如下：

4、1)构造由两个带连接臂的几何单体相连组成的单元结构，周期排列构成的声子晶体超材料结构；

5、2)通过调整两个几何单体之间的连接臂的位置和/或数量使得单元结构产生新的带隙，同时能够改变群速度为0的点对应的频率，基于调整后的单元结构实现彩虹捕获效应。

6、上述技术方案中，进一步地，所述声子晶体超材料结构为单元结构在一维方向周期排列构成。

7、进一步地，所述单元结构为由两个完全相同的带有连接臂的几何单体相连形成的对称结构，其中，在调整前所述带有连接臂的几何单体为对称结构，每个几何单体均有两类连接臂，第一类用于与另一几何单体相连，第二类用于与其他单元结构相连，调整时改变第一类连接臂的位置和/或数量以破坏所述几何单体的结构对称性。

8、进一步地，所述单元结构中所有连接臂的大小形状相同。

9、进一步地，将经不同调整方式得到的单元结构叠合到一起，构成若干个界面，由群速度为0实现不同频率在各界面处的定位传输，即出现彩虹捕获现象，同时能量聚集放大。

10、本发明的有益效果为：

11、1.本发明提供了一种构建具有零群速度并产生新的带隙的结构的新方法。

12、2.本发明中采用改变连接臂的位置的方法来实现对弹性的调控，增加了弹性波传播调控的维度，使调控更加多样化。

13、3.除了上述特点之外，本发明最关键的优点在于，本发明中设计的结构具有一定的普适性，通过改变连接臂连接的几何单体的形状，可以设计不同的构型，实现同样的效果，达到相同的目的。其本质只需要改变同一几何构型左右连接臂的相对位置即可，比如几何单体为正方形，其左边设计一个连接臂，而右边设计两个连接臂，左右连接臂相对位置不一致，都可以实现同类现象，在工程应用中可以更好地适用于不同的场景。

技术特征：

1.通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法，其特征在于，包括如下：

2.根据权利要求1所述的通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法，其特征在于，1)中由单元结构在一维方向进行周期排列构成一维的声子晶体超材料结构。

3.根据权利要求1所述的通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法，其特征在于，所述单元结构为由两个完全相同的带有连接臂的几何单体相连形成的对称结构，其中，每个几何单体均有两类连接臂，第一类用于与另一几何单体相连，第二类用于与其他单元结构相连，在调整前所述带有连接臂的几何单体为对称结构，调整时改变第一类连接臂的位置和/或数量以破坏所述几何单体的结构对称性。

4.根据权利要求3所述的通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法，其特征在于，所述单元结构中所有连接臂的大小形状相同。

5.根据权利要求1所述的通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法，其特征在于，将经不同调整方式得到的单元结构叠合到一起，构成若干个界面，由群速度为0实现不同频率在各界面处的定位传输，即出现彩虹捕获现象，同时能量聚集放大。

6.一种能实现弹性波彩虹捕获的超材料，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的方法设计得到。

技术总结本发明公开了一种通过变连接臂位置实现弹性波彩虹捕获的结构设计方法及超材料，包括如下：1)构造由两个带连接臂的几何单体相连组成的单元结构，周期排列构成的声子晶体超材料结构；2)通过调整两个几何单体之间的连接臂的位置和/或数量使得单元结构产生新的带隙，同时能够改变群速度为0的点对应的频率，基于调整后的单元结构实现彩虹捕获效应。本发明的改变连接臂位置利用群速度为0这一特性实现弹性波定位传输，提供了弹性波调控的新方案，且此种结构设计具有一定的普适性，可在此基础上更换结构形状，便于工程应用，使弹性波的调控有了更多的选择。技术研发人员：王娇,李剑,陈伟球受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/4/7