[发明专利]一种基于五模材料的宽频弹性体波分离器件及其设计方法

权利要求书

1.一种基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立第一模型，所述第一模型为构成二维弹性波分离器的五模材料所需满足的材料参数，是根据承载纵波和横波的背景介质的材料参数，利用广义纵波全透射阻抗匹配条件获得的；

步骤二、建立第二模型，所述第二模型为满足第一模型要求的五模材料单胞，是在五模材料原始单胞构型的基础上，基于准静态材料参数提取方法以及MATLAB优化程序，结合第一模型获得的；

步骤三、将步骤二中优化得到的第二模型周期性密排，获得二维五模材料分波层；

步骤四、在有限元仿真试验中，对五模材料分波层进行建模，并将其嵌入到背景介质中，在五模材料分波层一侧同时激发纵波和横波，纵波和横波的频率由具体应用工况决定，之后观察仿真结果，若纵波和横波完全分离，进入步骤五；若纵波和横波未完全分离，进入步骤三；

步骤五、在真实工况实验部分，首先加工制造出与步骤四中仿真模型完全相同的五模材料分波层以及嵌有五模材料分波层的背景介质样件，进行实验验证；

步骤六、实验开始前，在样件中安放换能器和传感器：在五模材料分波层一侧安放分别用于激发纵波和横波的换能器，反射端安放分别用于检测纵波和横波的第一传感器；透射端安放分别用于检测纵波和横波的第二传感器；

步骤七、实验开始后，利用换能器分别激发纵波和横波，同时利用安放在反射端和透射端的两个传感器检测纵波和横波信号；

步骤八、调节纵波和横波的入射频率，重复步骤七，记录检测结果；若在相对带宽至少达到50％以上的频率范围内，均可以实现纵波和横波的分离，则基于五模材料的弹性体波分离器件设计完成；否则重复步骤三及之后步骤。

2.根据权利要求1所述的基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法，其特征在于，所述第一模型的材料参数是指模量和密度ρ^S，所述模量和密度ρ^S满足如下公式：

式中，C₁₁和C₆₆为背景介质弹性常数，ρ为背景介质密度，θⁱ为使弹性体波实现空间分离的入射角。

3.根据权利要求1所述的基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法，其特征在于，所述步骤三中，根据不同背景介质，可适当调整五模材料分波层层厚和单胞尺寸，单胞密排形式为三角形单胞密排、六边形单胞密排或四边形单胞密排。

4.根据权利要求1所述的基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法，其特征在于，所述步骤四的具体步骤如下：

S41、在仿真软件中，首先绘制矩形背景介质，并设置材料属性；

S42、绘制五模材料分波层，设置基底材料参数，并将五模材料分波层整体嵌入到背景介质中；

S43、在五模材料分波层一侧分别设置纵波和横波激励源1，并在五模材料分波层的异侧2点和同侧3点分别检测透射波信号和反射波信号；

S44、之后观察不同频率下的仿真结果，若在B点仅能检测到纵波，且在C点仅能检测到横波，则表明来自同一方向的纵波和横波可以完全分离，进入步骤五；若未完全分离，进入步骤三。

5.根据权利要求1或4所述的基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法，其特征在于，所述步骤四中，构建二维分波模型及模拟计算纵波和横波空间分离的仿真软件为COMSOL Multiphysics。

6.根据权利要求1所述的基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法，其特征在于，所述步骤六中，换能器为压电或磁致伸缩换能器，第一传感器和第二均为电磁声传感器。

7.一种使用权利要求1-6任意一项权利要求所述的基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法制备的弹性体波分离器件，其特征在于，所述弹性体波分离器件能够在很宽的频率范围内使来自同一方向的纵波和横波实现完全分离，即可以获得较宽频率范围内的单一纵波或横波。