一种光控声学二极管及其实现方法

本发明涉及非互易声学，具体为一种光控声学二极管及其实现方法。

背景技术：

1、近年来，通过非互易效应控制波传播是一个非常热门的研究领域，在单向传播中声波或弹性振动只允许沿一个方向传播，打破声学互易对创造稳健的单向传播至关重要。这种单向响应形成了诸如隔声器和循环器等设备的基础，它也为声学拓扑绝缘体等复杂系统开启了新的功能，并在声波操控、声通信和医学成像等方面的应用中也具有重要实际意义。但由于它受时间反演对称性保护，要打破系统的时间反演对称性，实现声波的非互易性是极其困难的。如何打破声学体系的时空反演对称性、实现声波的非互易传输，始终是声学基础研究中的关键问题。

2、声波传播中两个常见的非互易概念是基于非线性效应和流体的局部循环。它们源于两个已知的例外情况，即洛伦兹和瑞利的互易定理由于时间逆对称的破坏而失效。在动力学和声学系统中，通过利用外部偏差、材料特性的时空变化或非线性，可以打破互易性。目前的研究中，声波在介质中传播的非互易性可以通过介质的非线性或由于惯性参照系的主动运动而导致的时间对称性破坏来实现。然而声学非线性的倍频转化效率低，且依赖较强的入射声功率，同时存在信号畸变的问题；而动态分量的引入离不开机械驱动装置，使得系统较为庞大、复杂，这都限制了声学非互易传输的实际应用。如何在无噪声、小尺寸、结构简单且非接触式可控的情况下实现声学模式的高效非互易转换，成为一个亟待解决的难题。

3、目前，最活跃的非互易声学系统需要外部驱动的流体流动，这种流动复杂且相对较大。如现有技术中，热对流、机械泵浦和磁力等机制驱动流体流动的方法，存在使得流体流动复杂、流动效果相对不可控的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决现有驱动流体流动的方法流体流动复杂、流动效果相对不可控的问题。本发明通过激光诱导驱动有源声腔内的流体流动，同时利用磁流体的粘弹性特性优势，在能量转换效率高且带宽低频实现声波非互易性传输的同时，利用激光诱导流技术的优势实现可控地驱动声能，打破时间反转对称性，实现了声波的非互易传输。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种光控声学二极管，所述光控声学二极管包括用于约束磁流体形成通道的光声腔、与所述光声腔配合设置的磁场发生装置、流场驱动装置及超声发射接收装置；所述光声腔内设有用于与磁场和光场发生作用从而达到声波非互易传输效果的腔内填充液，所述流场驱动装置用于驱动流体流动和温度产生温度梯度，所述超声发射接收装置用于发射和接收超声波。

4、进一步的，所述光声腔为碗状，所述光声腔包括底部的冷却平台、设在所述光声腔腔壁上的环形导热通道及设在所述冷却平台上方的线性波导区。

5、进一步的，所述腔内填充液为铁磁流体。

6、进一步的，所述磁场发生装置设在所述光声腔的右上方。

7、进一步的，所述流场驱动装置包括设在所述光声腔下部的半导体制冷片、设在所述光声腔上方的激光器、位于所述激光器的输出光路上的激光反射镜，所述激光反射镜用于将所述激光器的激光源可调节照射位置的反射到所述的腔内填充液表面上。

8、进一步的，所述半导体制冷片和所述激光器共同作用到所述腔内填充液上，使得所述腔内填充液在所述的光声腔的环形导热通道内形成温度差。

9、进一步的，所述激光器设置有功率调节模块，所述功率调节模块用于对激光器的功率大小进行调节。

10、进一步的，所述超声发射接收装置包括分别设在所述的光声腔的线性波导区两端的一对超声换能器。

11、另一方面，本发明还提供上述的一种光控声学二极管的实现方法，包括以下步骤：

12、提供光声腔、腔内填充液、磁场发生装置、流场驱动装置、超声发射接收装置，所述的流场驱动装置包括半导体制冷片、激光器，所述的超声发射接受装置包括超声换能器一对；

13、将半导体制冷片设置在光声腔的底部冷却平面，在光声腔内填充腔内填充液，在光声腔的线性波导区两端分别设置一个超声换能器；

14、开启磁场发生装置、超声发射接收装置，调整流体驱动装置对光声腔内的铁磁流体进行局部制冷和加热，使得光声腔内铁磁流体在环形导热通道内逆时针流动，产生顺温度梯度的磁化率梯度和粘度梯度，改变光场的参数从而改变声学隔离度。

15、进一步的，所述改变光场的参数改变声学隔离度包括：通过调控磁流体驱动装置中的激光器发生激光的功率从而调控腔内铁磁流体的流速以及磁弹性特性，从而改变声波在光声腔内的传播模式，进而改变声学隔离度。

16、与现有技术相比，本发明的优点在于：

17、1.本发明所提供的一种光控声学二极管，通过激光诱导驱动有源声腔内的流体流动，同时利用磁流体的粘弹性特性优势，在能量转换效率高且带宽低频实现声波非互易性传输的同时，利用激光诱导流技术的优势实现可控地驱动声能，打破时间反转对称性，实现了声波的非互易传输。

18、本发明的二极管结构简单，易于制造，成本较低，易于获取，操控简单，可靠性高、稳定性好；灵敏度很高，在短短3-5s内就能达到非常高的声学隔离度，实现功能。同时其原理简单通用，易于实现，并可根据需要进行修改；采用激光和静态磁场可以实现无接触式地操纵了声学模式，产生有效的非互易传播，操作简单、易于调控，同时全过程避免了机器结构的噪声。

19、2.本发明所提供的一种光控声学二极管的实现方法，结构简单且易于构建，器件制造难度低，采用材料成本低廉且易于获取，操作简易且易于调控，具有普遍适用性，应用前景良好。

20、本发明无需引入风扇、气泵、水泵等机械泵浦，具有结构简单，可靠性高，稳定性好，成本低廉等特点，且这种流体自产生的运动不会引入不期望的机械噪声，输出的声信号更加稳定、干净。

21、本发明可以实现无接触调控声模式，可以通过控制激光功率来控制声非互易性隔离度的大小，该装置的灵活性非常高，非互易传输倍率高达77:1，研究效果远远高于目前声学非互易器件，应用潜力大。

22、本发明实现了器件的小型化，不需要分米甚至米级长腔或环形谐振腔，更有利于与其他声学系统整合。

23、解决了现有驱动流体流动的方法流体流动复杂、流动效果相对不可控的问题。

技术特征：

1.一种光控声学二极管，其特征在于，所述光控声学二极管包括用于约束磁流体形成通道的光声腔、与所述光声腔配合设置的磁场发生装置、流场驱动装置及超声发射接收装置；所述光声腔内设有用于与磁场和光场发生作用从而达到声波非互易传输效果的腔内填充液，所述流场驱动装置用于驱动流体流动和温度产生温度梯度，所述超声发射接收装置用于发射和接收超声波。

2.根据权利要求1所述的一种光控声学二极管，其特征在于，所述光声腔为碗状，所述光声腔包括底部的冷却平台、设在所述光声腔腔壁上的环形导热通道及设在所述冷却平台上方的线性波导区。

3.根据权利要求1所述的一种光控声学二极管，其特征在于，所述腔内填充液为铁磁流体。

4.根据权利要求1所述的一种光控声学二极管，其特征在于，所述磁场发生装置设在所述光声腔的右上方。

5.根据权利要求1所述的一种光控声学二极管，其特征在于，所述流场驱动装置包括设在所述光声腔下部的半导体制冷片、设在所述光声腔上方的激光器、位于所述激光器的输出光路上的激光反射镜，所述激光反射镜用于将所述激光器的激光源可调节照射位置的反射到所述的腔内填充液表面上。

6.根据权利要求5所述的一种光控声学二极管，其特征在于，所述半导体制冷片和所述激光器共同作用到所述腔内填充液上，使得所述腔内填充液在所述的光声腔的环形导热通道内形成温度差。

7.根据权利要求6所述的一种光控声学二极管，其特征在于，所述激光器设置有功率调节模块，所述功率调节模块用于对激光器的功率大小进行调节。

8.根据权利要求2所述的一种光控声学二极管，其特征在于，所述超声发射接收装置包括分别设在所述的光声腔的线性波导区两端的一对超声换能器。

9.基于权利要求1～8任一项所述的一种光控声学二极管的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种光控声学二极管的实现方法，其特征在于，所述改变光场的参数改变声学隔离度包括：通过调控磁流体驱动装置中的激光器发生激光的功率从而调控腔内铁磁流体的流速以及磁弹性特性，从而改变声波在光声腔内的传播模式，进而改变声学隔离度。

技术总结本发明公开了一种光控声学二极管及其实现方法，涉及非互易声学技术领域。光控声学二极管包括用于约束磁流体形成通道的光声腔、与光声腔配合设置的磁场发生装置、流场驱动装置及超声发射接收装置；光声腔内设有用于与磁场和光场发生作用从而达到声波非互易传输效果的腔内填充液，流场驱动装置用于驱动流体流动和温度产生温度梯度，超声发射接收装置用于发射和接收超声波。还提供该二极管的实现方法。通过激光诱导驱动有源声腔内的流体流动，在能量转换效率高且带宽低频实现声波非互易性传输的同时，利用激光诱导流技术的优势实现可控地驱动声能，实现了声波的非互易传输，解决了现有驱动流体流动的方法流体流动复杂、流动效果相对不可控的问题。技术研发人员：尧梦琳,王志明,阿鲁普·尼奥吉受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27