一种具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构

本发明涉及玻片夹紧机构，特别涉及一种具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构。

背景技术：

1、近年来，声学超材料和声子晶体的出现赋予了声学学科一个全新的生命，极大地促进了声学材料的发展与进步。通过对传统材料进行特殊加工组合等设计，使其拥有了天然材料所不具备的超常物理性质。比如在宏观系统中实现特殊的等效物理性质：各向异性、负密度、负体积模量、负折射等，具有独特的“亚波长”结构，能够小尺寸的有效控制低频声波的传输过程，使其迅速成为了现代声学以及材料科学领域的研究热点。

2、五模式超材料作为一种新型的人工声学超材料，其概念最初是由milton和cherkaev在1995年提出，由于它的弹性系数矩阵的6个特征值中有5个为零，所以称之为五模式超材料。五模式超材料作为固体形态具有流体性质的独特性质，可在流体和五模式超材料界面实现低散射损耗。用于水下工作时可对单模频率范围内的探测声波产生绕射，意味着五模超材料具有水下声隐身功能。之后muamer kadic等人将milton等人提出的理想结构改进为双锥之间实现小尺寸相互接触，加工并制作出了首个五模式超材料实物，并利用数值计算分析了五模式超材料的弹性性质，验证了五模式超材料具有较好的流体特性。2015年，西安交通大学本课题组提出了窄直径非对称的双锥型五模式超材料结构，研究结果表明窄径非对称的双锥型五模式超材料不仅具有保持压缩波传输而抑制剪切波传输的单模区域，还获得了完全声子禁带。这也就意味着这种五模式超材料不仅能够在单模频率范围内实现原有五模式超材料的“流体”性质，而且在完全声子禁带区域还能禁止弹性波的传输。之后pm也被应用于水下声学超透镜、水下地毯斗篷等领域。

3、另一方面，凝聚态物理系统中量子霍尔效应，量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的出现，极大促进了基础学科与前沿技术领域的发展与进步。拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。在拓扑绝缘体的内部，电子能带结构和常规的绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间。然而，在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，能够进行导电。其拓扑保护边缘态模式为实现和设计突破传统技术极限的颠覆性材料和器件带来了可行性，使其在自旋电子学和量子计算等领域具有潜在的应用价值。目前，拓扑保护边缘状态的研究已经拓展到光子学和声子学。拓扑声子晶体的出现，彻底颠覆了人们对传统声学材料的认知，并迅速成为了材料科学和信息工程技术领域的研究热点。2014年，romain fleury等人提出了一种利用环形流速场打破时间反演对称性的方法，并构建了声学环流器，这一发现为实现声学类量子霍尔效应提供了可能。量子霍尔相的特征是电子局限在体中，但沿边界单向传输。时间反演对称性的破缺使得边界态的传输具有手征性，因此即使边界上存在无序和缺陷，边界态也不会产生背向散射。除了需要打破时间反演对称性的量子霍尔效应外，无需打破时间反演对称性的状态-量子自旋霍尔效应也被研究。cheng he等人详细地论证了基于偶然简并的声学模拟量子自旋霍尔效应在空气中由钢棒组成的蜂窝晶格中是如何实现的。通过降低钢棒在空气中的填充率，被带隙隔开的两对偶极子模式和四极子模式将在频率上移动并交换位置(即所谓的能带反转)在两者之间，存在一个带隙闭合的点，两对粒子偶然接触在一起，形成双退化的狄拉克锥(在本质上不同于区域折叠机制)。这个带隙打开-关闭-重新打开的过程导致了从拓扑平庸状态到拓扑非平庸状态的拓扑转换，其中的过渡点就是双狄拉克点。离散的谷自由度作为动量空间中能量极值量子态的标记，因其作为一种类似自旋的新型信息载体而受到越来越多的关注。随后在二维声学系统中对谷霍尔效应和相应的谷保护边缘态进行了理论预测和实验观察。lu等人首次将谷态的概念引入到声波声子晶体中。在二维波导中，声子晶体六边形原胞中的散射体为三角形杆，其对称性可以用旋转角来表征，随着旋转角的变化狄拉克点被打开，量子谷霍尔效应引起的边缘状态对弯曲缺陷也具有很强的鲁棒性。之后不同结构类型的拓扑超材料也相继被研究。

4、然而，目前有关声子晶体拓扑特性的研究主要集中在空气声学领域，对水下弹性波系统中拓扑态的研究相对缺乏，这一定程度上限制了拓扑声超材料的实际应用范围。此外，利用声子晶体的拓扑保护声学特性来调控弹性波传输，在声隐身、水下声透镜等水下声学领域的应用具有重要的理论和现实指导意义。

技术实现思路

1、针对上述的这些缺点，本发明提供一种具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，通过在pm引入结构微扰，可以打开在k点处的狄拉克点简并产生拓扑能带反转。通过计算由两种具有不同拓扑谷相的pm组成的超胞的投影能带结构，获得了拓扑边缘态，其对弯曲和空腔等缺陷具有较好的鲁棒性。另外，超胞在较宽的频率范围内还具有类水的声学特性，被用作水下波导时，将同时具有较好传输效率和声隐身性能。本发明提出的双功能超材料为设计水下隐身声波导提供了理论指导。

2、为了达到上述目的，本发明提供一种具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其采用的技术方案如下：

3、一种具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，包括晶格单元，所述晶格单元包括六个金属臂，在六个金属臂上分别设置有一个附加配重，共有六个附加配重，六个附加配重均为等边三角形状，且分别为四个第一附加配重、一个第二附加配重以及一个第三附加配重，所述第一附加配重的边长为w，所述第二附加配重的边长为w-dh，所述第三附加配重的边长为w+dh，dh表示设定常数。

4、进一步地，dh的值为-0.5mm。

5、进一步地，dh的值为0.5mm。

6、进一步地，所述晶格单元设置为多个，且在多个晶格单元中，至少有一个晶格单元中的dh的值为-0.5mm以及至少有一个晶格单元中的dh的值为0.5mm。

7、进一步地，所述晶格单元内部设置有镂空，所述镂空内填充空气。

8、进一步地，所述晶格单元为规则六边形蜂窝状。

9、进一步地，所述晶格单元的边长为6mm，宽度为0.126mm。

10、进一步地，所述第一附加配重的边长w的值为2.17mm。

11、进一步地，所述金属臂采用金属钛制造而成。

12、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

13、1)本发明通过改变dh，可以打开在k-point的狄拉克锥，实现了能带的反转。

14、2)基于不同dh值所构建的两个晶格单元结构构造了拓扑声子晶体，并对拓扑保护边界声传输进行了数值模拟，发现其能量主要集中在两种结构之间的界面处并呈指数形式向体内衰减，这种边界态对弯曲和空腔等缺陷具有较好的鲁棒性。

15、3)本发明在较宽的频率范围内具有类水的特性，被用于水下时，可以在1khz到25khz具有较好的声隐身性能，在74.4khz—84.4khz具有声拓扑传输特性。

技术特征：

1.一种具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，包括晶格单元，所述晶格单元包括六个金属臂，在六个金属臂上分别设置有一个附加配重，共有六个附加配重，六个附加配重均为等边三角形状，且分别为四个第一附加配重、一个第二附加配重以及一个第三附加配重，所述第一附加配重的边长为w，所述第二附加配重的边长为w-dh，所述第三附加配重的边长为w+dh，dh表示设定常数。

2.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，dh的值为-0.5mm。

3.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，dh的值为0.5mm。

4.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，所述晶格单元设置为多个，且在多个晶格单元中，至少有一个晶格单元中的dh的值为-0.5mm以及至少有一个晶格单元中的dh的值为0.5mm。

5.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，所述晶格单元内部设置有镂空，所述镂空内填充空气。

6.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，所述晶格单元为规则六边形蜂窝状。

7.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，所述晶格单元的边长为6mm，宽度为0.126mm。

8.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，所述第一附加配重的边长w的值为2.17mm。

9.如权利要求1所述的具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，其特征在于，所述金属臂采用金属钛制造而成。

技术总结本发明公开一种具有类水和拓扑传输特性的双功能五模超材料结构，包括晶格单元，所述晶格单元包括六个金属臂，在六个金属臂上分别设置有一个附加配重，共有六个附加配重，六个附加配重均为等边三角形状，且分别为四个第一附加配重、一个第二附加配重以及一个第三附加配重，所述第一附加配重的边长为w，所述第二附加配重的边长为w‑dh，所述第三附加配重的边长为w+dh，dh表示设定常数。本发明通过在PM引入结构微扰，可以打开在K点处的狄拉克点简并产生拓扑能带反转。通过计算由两种具有不同拓扑谷相的PM组成的超胞的投影能带结构，获得了拓扑边缘态，其对弯曲和空腔等缺陷具有较好的鲁棒性。技术研发人员：马军霞,尚付民,楚杨阳,张志锋,谷培培,杨子续,刘其林,王长江受保护的技术使用者：郑州轻工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2