[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

说明书

本发明提供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，包括如下步骤：步骤一、建立第一模型；步骤二、建立第二模型；步骤三、获得二维五模材料分波层；步骤四、对五模材料分波层进行仿真建模，将其嵌入到背景介质中，在分波层一侧同时激发纵波和横波，观察纵波和横波分离状态，进入步骤五或步骤三；步骤五、制备五模材料分波层和背景介质样件；步骤六、在样件中安放换能器和传感器；步骤七、利用换能器分别激发纵波和横波，利用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；若在较宽频率范围内，均可实现纵波和横波的分离，则弹性体波分离器件设计完成；否则重复步骤三及之后步骤。

技术领域

本发明涉及弹性波调控技术领域，具体而言，尤其涉及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。

背景技术

纵波和横波由于各自独特的波动特性而具有十分广阔的工程应用前景，例如纵波易激发、波速快，可以检测不同激励导致的变形；横波非频散、分辨率高并且穿透性更强，可用于医学成像等。但是不同于流体介质只能传播一种极化波(例如声波)，固体材料因其丰富的弹性模量而可以承载多种极化波，进而导致纵波和横波总是在空间上耦合在一起传播，这就为单独利用纵波或横波造成了困难。

目前，学者提出的弹性体波分离方法主要是借助于共振型超材料。共振型超材料即指在共振频率附近，可以实现超常的动态等效物理属性(例如负密度、负模量等)的一类材料。进一步，通过精心设计这类超材料的物理属性，可以使来自同一方向的纵波和横波在其中传播时产生不同的波动响应，即沿不同路径传播，并最终达到在空间上相互分离的目的。

但是共振型超材料只能在共振频率附近发挥特性，因此表现为工作频带窄，并且耗散显著。这些缺点极大地限制了弹性体波分离器件的设计，从而影响后续纵波和横波的工程应用。因此本发明研究了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。

发明内容

根据上述提出的共振型超材料只能在共振频率附近发挥特性，因此表现为工作频带窄，并且耗散显著；这些缺点极大地限制了弹性体波分离器件的设计，从而影响后续纵波和横波的工程应用的技术问题，而提供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。本发明主要根据广义纵波全透射阻抗匹配条件和Snell定律，提出了基于五模材料的弹性体波(纵波和横波)宽频分离器件设计方法，其可用于不同背景介质下同向纵波和横波的空间分离；设计的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，且几乎没有能量损耗。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于五模材料的宽频弹性体波分离器件的设计方法，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；具体地，这种特定的五模材料可以使纵波完全透射，并且完全反射横波，并且不依赖于特定频率，从而起到宽频分离弹性体波的效果；

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；