一種基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
1.本發(fā)明屬于彈性模量周期變化的連續(xù)介質(zhì)超構(gòu)材料領(lǐng)域，特別涉及一種基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器。


背景技術(shù)：

2.在傳統(tǒng)的聲學(xué)集成器件中，提高系統(tǒng)的信號保真度和信噪比一直是研究人員關(guān)注的焦點。然而，由于加工精度誤差和環(huán)境噪聲的干擾，大部分聲學(xué)信號被聲學(xué)器件的缺陷所散射，環(huán)境噪聲也會覆蓋需要測量的目標(biāo)信號。因此，信號失真和低信噪比一直是聲學(xué)集成器件需要解決的問題，克服環(huán)境噪聲的魯棒性對于傳統(tǒng)聲學(xué)器件性能的提升有很大的局限性。21世紀(jì)初，科學(xué)家從理論上發(fā)現(xiàn)了拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎辔镔|(zhì)。在不同拓?fù)涞南嘟缑嫣帲瑹o能隙拓?fù)浔Ｗo的邊界態(tài)具有抗缺陷的魯棒傳輸特性。有鑒于此，拓?fù)湎嘧兝碚撘褟哪蹜B(tài)物理廣泛擴展到光聲集成器件的設(shè)計。


技術(shù)實現(xiàn)要素：

3.發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器。
4.為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器，包括三維金屬打印一體成型的第一周期性點陣結(jié)構(gòu)、第一基板、第二周期性點陣結(jié)構(gòu)、第二基板和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)，所述第二周期性點陣結(jié)構(gòu)設(shè)置于第一基板的下表面和第二基板的上表面之間；所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)設(shè)置于第一基板的上表面，所述第三周期性點陣結(jié)構(gòu)設(shè)置于第二基板的下表面；
5.所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)關(guān)于第一基板的中軸線bb’對稱，所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)在中軸線bb’的左側(cè)包括n個點陣單元，所述點陣單元包括第一散射體、第二散射體、第三散射體和第四散射體，所述第一散射體、第二散射體、第三散射體和第四散射體依次按列排列，每列第一散射體、第二散射體、第三散射體和第四散射體的個數(shù)均為m；第一散射體和第二散射體縱向交錯排列，第二散射體和第三散射體橫向并列，第三散射體和第四散射體縱向交錯排列；點陣單元具有平移周期性，前一個點陣單元的第四散射體和后一個點陣單元的第一散射體橫向并列；第一散射體和第三散射體大小相同，第二散射體和第四散射體大小相同；第一散射體、第二散射體、第三散射體和第四散射體的上述排列形成c6v六方晶格；
6.所述第三周期性點陣結(jié)構(gòu)關(guān)于中軸線bb’對稱，所述第三周期性點陣結(jié)構(gòu)在中軸線bb’的左側(cè)的結(jié)構(gòu)與第一周期性點陣結(jié)構(gòu)在中軸線bb’的右側(cè)的結(jié)構(gòu)相同；
7.所述第二周期性點陣結(jié)構(gòu)在中軸線bb’的左側(cè)，從遠離中軸線bb’的一側(cè)至靠近中軸線bb’，第五散射體按列交錯排列，每列第五散射體的個數(shù)為m；所述第二周期性點陣結(jié)構(gòu)關(guān)于第一基板的中軸線bb’對稱；將所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)以及第二周期性點陣結(jié)構(gòu)映射至線aa’所在的水平面上，第五散射體能夠填充第一周期性點陣結(jié)構(gòu)的間隙。
8.在一種實現(xiàn)方式中，所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)中每列第一散射體、第二散射體、第三散射體和第四散射體的個數(shù)m設(shè)置為11，在中軸線bb’的一側(cè)點陣單元的個數(shù)n設(shè)置為4；第二周期性點陣結(jié)構(gòu)中每列第五散射體的個數(shù)也設(shè)置為m＝11，在中軸線bb’的一側(cè)第五散射體的總列數(shù)l設(shè)置為8。
9.在一種實現(xiàn)方式中，所述第一散射體、第二散射體第三散射體、第四散射體和第五散射體為圓柱形，第二散射體和第一散射體的半徑比為0.8；第一散射體和第五散射體的半徑相同。
10.在一種實現(xiàn)方式中，所述第一基板和第二基板的厚度為0.4a，第一散射體的半徑為0.25a，第二散射體的半徑為0.2a，第五散射體的半徑為0.25a；第一周期性點陣結(jié)構(gòu)(1)和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)(5)的高度均為0.27a，第二周期性點陣結(jié)構(gòu)(3)的高度為0.15a，其中a＝1cm是晶格常數(shù)。
11.在一種實現(xiàn)方式中，所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)、第一基板、第二周期性點陣結(jié)構(gòu)、第二基板和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)均為304不銹鋼材料，材料參數(shù)為密度7903kg/m3，楊氏模量219e9pa，泊松比0.32。
12.在一種實現(xiàn)方式中，通過第一性原理全波求解彈性波波動方程，獲得所述雙層c6v點陣超材料傳感器在整個布里淵區(qū)的能帶分布。
13.在一種實現(xiàn)方式中，通過第一性原理全波求解彈性波波動方程，求解過程中，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為晶格常數(shù)a的1/10，三維模型設(shè)置500000個自由度。
14.在一種實現(xiàn)方式中，所述雙層c6v點陣超材料傳感器采用電弧增材制造方式完成結(jié)構(gòu)件的成形制造，首先依據(jù)雙層c6v點陣超材料傳感器尺寸選擇基板大小；將基板打磨除去表面氧化層，然后固定在數(shù)控機床工作臺上；電弧起弧后，送絲機根據(jù)設(shè)定的送絲速度同步送進304不銹鋼絲材，機床根據(jù)控制系統(tǒng)的指令按預(yù)定的軌跡在水平面上移動，每完成一層，焊槍沿豎直方向上升一個層厚的距離，實現(xiàn)由點-線-面-體的方式完成傳感器結(jié)構(gòu)的成形。
15.有益效果：本發(fā)明的可基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器結(jié)合了聲超構(gòu)材料能帶計算與拓?fù)湎嘧兝碚?，巧妙地利用凝聚態(tài)物理中的能帶理論對傳統(tǒng)聲學(xué)集成器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，旨在通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高傳統(tǒng)聲學(xué)器件的信號保真度和信噪比。在凝聚態(tài)物理中，由于結(jié)構(gòu)周期性以及布拉格散射，能量在倒格矢空間中呈現(xiàn)帶狀分布，從而可以有效調(diào)控能量的傳播。通過圓柱形散射體間的耦合強度的精心調(diào)控，可以實現(xiàn)聲超材料的拓?fù)湎嘧儭Ｍㄟ^雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以在較寬帶隙范圍內(nèi)通過層間有選擇激發(fā)具有時間反演對稱性的彈性波贗自旋模式，不僅可以有效的改善傳統(tǒng)聲學(xué)器件的信噪比，而且可以為新型的聲學(xué)器件的設(shè)計提供解決方案。
附圖說明
16.下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做更進一步的具體說明，本發(fā)明的上述和/或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。
17.圖1為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的立體圖。
18.圖2為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的前視圖。
19.圖3為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的上視圖。
20.圖4為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的下視圖。
21.圖5為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器沿線aa’截取的剖面圖。
22.圖6為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器由對稱線性聲源激發(fā)的聲波沿傳播方向傳播示意圖。
23.圖7為包括兩個第一散射體的單胞結(jié)構(gòu)示意圖以及能帶圖。
24.圖8為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的包括第一散射體和第二散射體的單胞結(jié)構(gòu)示意圖以及能帶圖。
25.圖9為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的上視圖對應(yīng)的超元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
26.圖10為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的下視圖對應(yīng)的超元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
27.圖11為圖9和圖10超元胞的能帶圖。
28.圖12為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的本征對稱模式的有限元模擬實驗驗證。
29.圖13為本發(fā)明提供的雙層c6v點陣超材料傳感器的本征反對稱模式的有限元模擬實驗驗證。
30.圖中標(biāo)號說明：第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1，第一基板2，第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3，第二基板4，第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5，點陣單元10，第一散射體11，第二散射體12，第三散射體13，第四散射體14，第五散射體31。
具體實施方式
31.下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施例進行描述。
32.本技術(shù)提供的基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器，可以應(yīng)用于聲學(xué)集成器件中，提高了聲學(xué)集成器件的信號保真度和信噪比。
33.如圖1～圖2所示，本技術(shù)實施例提供的基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器，包括三維金屬打印一體成型的第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1、第一基板2、第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3、第二基板4和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5，所述第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3設(shè)置于第一基板2的下表面和第二基板4的上表面之間；所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1設(shè)置于第一基板2的上表面，所述第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5設(shè)置于第二基板4的下表面；
34.如圖3所示，所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1關(guān)于第一基板2的中軸線bb’對稱，所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1在中軸線bb’的左側(cè)包括n個點陣單元10，所述點陣單元10包括第一散射體11、第二散射體12、第三散射體13和第四散射體14，所述第一散射體11、第二散射體12、第三散射體13和第四散射體14依次按列排列，每列第一散射體11、第二散射體12、第三散射體13和第四散射體14的個數(shù)均為m；第一散射體11和第二散射體12縱向交錯排列，第二散射體12和第三散射體13橫向并列，第三散射體13和第四散射體14縱向交錯排列；點陣單元10具有平移周期性，前一個點陣單元10的第四散射體14和后一個點陣單元10的第一散射體11橫向并列；第一散射體11和第三散射體13大小相同，第二散射體12和第四散射體14大小相同；
35.如圖2和圖4所示，所述第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5關(guān)于中軸線bb’對稱，所述第三周期
性點陣結(jié)構(gòu)5在中軸線bb’的左側(cè)的結(jié)構(gòu)與第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1在中軸線bb’的右側(cè)的結(jié)構(gòu)相同；
36.如圖5所示，所述第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3在中軸線bb’的左側(cè)，從遠離中軸線bb’的一側(cè)至靠近中軸線bb’，第五散射體31按列交錯排列，每列第五散射體31的個數(shù)為m；所述第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3關(guān)于第一基板2的中軸線bb’對稱；將所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1以及第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3映射至線aa’所在的水平面上，第五散射體31能夠填充第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1的間隙。
37.上述左側(cè)和右側(cè)的描述，僅是為了描述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1、第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5和第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3中散射體的相對關(guān)系，所述基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器的擺放方向包括但不限于如圖1-圖6所示的擺放方向。
38.本實施例中，如圖3和圖5所示，所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1中每列第一散射體11、第二散射體12、第三散射體13和第四散射體14的個數(shù)m設(shè)置為11，在中軸線bb’的一側(cè)點陣單元10的個數(shù)n設(shè)置為4；第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3中每列第五散射體31的個數(shù)也設(shè)置為m＝11，在中軸線bb’的一側(cè)第五散射體31的總列數(shù)l設(shè)置為8。
39.本實施例中，所述第一散射體11、第二散射體12、第三散射體13、第四散射體14和第五散射體31為圓柱形，第二散射體12和第一散射體11的半徑比為0.8；第一散射體11和第五散射體31的半徑相同。
40.本實施例中，所述第一基板2和第二基板4的厚度為0.4a，第一散射體11的半徑為0.25a，第二散射體12的半徑為0.2a，第五散射體31的半徑為0.25a；第一周期性點陣結(jié)構(gòu)(1)和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)(5)的高度均為0.27a，第二周期性點陣結(jié)構(gòu)(3)的高度為0.15a，其中a＝1cm是晶格常數(shù)。
41.本實施例中，所述第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1、第一基板2、第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3、第二基板4和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5均為304不銹鋼材料，材料參數(shù)為密度7903kg/m3，楊氏模量219e9pa，泊松比0.32。
42.本實施例中，通過第一性原理全波求解彈性波波動方程，獲得所述雙層c6v點陣超材料傳感器在整個布里淵區(qū)的能帶分布。由于彈性體超材料由彈性模量和密度周期性變化的散射體組成，這種具有平移周期性的晶格結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致彈性能量因布拉格散射而呈帶狀分布。對應(yīng)于帶隙頻率的彈性能量不能在材料中傳播。使用這種材料可以有效地控制聲波的傳播。
43.由于周期性的晶格結(jié)構(gòu)，所以彈性體波動方程中的密度，lam
é
常數(shù)以及位移等參數(shù)可以在倒格矢空間中以平面波的形式展開，從而將偏微分方程的求解轉(zhuǎn)換為特征方程中特征值的求解過程。
44.在彈性波體系中，波動方程的形式如下：
[0045][0046]
通過將公式(1)式化解為特征方程并求解就可以得到倒格矢空間中每一個波失k對應(yīng)的共振頻率ω，即彈性波聲子晶體的能帶。
[0047]
本實施例中，通過第一性原理全波求解彈性波波動方程，求解過程中，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為晶格常數(shù)a的1/10，三維模型設(shè)置500000個自由度。
[0048]
本實施例中，所述雙層c6v點陣超材料傳感器采用電弧增材制造方法完成結(jié)構(gòu)件
的成形制造。在結(jié)構(gòu)件增材制造成形前，首先依據(jù)結(jié)構(gòu)件尺寸選擇合適的基板大小。將基板打磨除去表面氧化層，而后固定在數(shù)控機床工作臺上。電弧起弧后，送絲機根據(jù)設(shè)定的送絲速度同步送進304不銹鋼絲材，機床根據(jù)控制系統(tǒng)的指令按預(yù)定的軌跡在水平面上移動，每完成一層，焊槍沿豎直方向上升一個層厚的距離，從而實現(xiàn)由“點-線-面-體”的方式完成傳感器結(jié)構(gòu)的成形。本實施例中，設(shè)置送絲速度為40-60毫米/秒，預(yù)定的軌跡包括雙層c6v點陣超材料傳感器的三維模型，第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1、第一基板2、第二周期性點陣結(jié)構(gòu)3、第二基板4和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5分別為一層。
[0049]
如圖7和圖8左側(cè)所示為兩種單胞結(jié)構(gòu)的示意圖，本發(fā)明的雙層c6v點陣超材料傳感器的單胞結(jié)構(gòu)如圖7左側(cè)和如圖8左側(cè)所示的結(jié)構(gòu)。單胞的上下表面為自由邊界，四周為周期性邊界，對應(yīng)雙原子半徑比為1(第一周期性點陣結(jié)構(gòu)1和第三周期性點陣結(jié)構(gòu)5中，中軸線bb’兩側(cè)靠近中軸線bb’的兩列并排的散射體)和0.8(第二散射體12和第一散射體11，或者第四散射體14和第三散射體13，或者第二散射體12和第三散射體13，或者前一個點陣單元10的第四散射體14和后一個點陣單元10的第一散射體11)的能帶結(jié)構(gòu)分別如圖7和圖8的右半部分，縱坐標(biāo)表示頻率，橫坐標(biāo)表示波矢k，圖7和圖8的帶寬范圍為160-180khz，橫坐標(biāo)波矢k上的γ、k和m表示能帶圖的高對稱點，圖8中的陰影部分為由于周期結(jié)構(gòu)的布拉格散射導(dǎo)致的帶隙，帶隙的中心頻率對應(yīng)于周期結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)a。
[0050]
圖9～圖11為本發(fā)明的雙層超材料傳感器的超元胞及其投影能帶，所述超元胞指如圖9的上圖和圖10的上圖所示的結(jié)構(gòu)。為了驗證拓?fù)溥吔缒Ｊ?，本發(fā)明中將兩個不同拓?fù)鋽?shù)的聲超材料拼接起來形成拓?fù)浞瞧接菇缑妫磮D3中中軸線bb’兩側(cè)拓?fù)鋽?shù)不同。如圖6所示，傳感器的四周采用了吸收邊界條件來防止帶隙內(nèi)部額外的邊界模式產(chǎn)生，沿界面方向設(shè)置為周期性邊界，垂直界面設(shè)置為吸收邊界以防止駐波產(chǎn)生。當(dāng)單胞內(nèi)雙原子的半徑比由1改變?yōu)?.8時，對應(yīng)的投影能帶和結(jié)構(gòu)分別如圖11、圖10和圖9，其中圖10對應(yīng)于圖11中的1模式，圖9對應(yīng)于圖11中的2模式?？梢钥吹疆?dāng)空間反演對稱性破缺時如圖11，在k＝π/a點處會打開一個全方向的帶隙。這個全方向的帶隙重組了量子自旋霍爾效應(yīng)中的邊界模式，即邊界態(tài)的奇偶性發(fā)生翻轉(zhuǎn)。
[0051]
圖12為本發(fā)明的雙層超材料傳感器的對稱邊界模式的模擬實驗。沿傳播方向?qū)ΨQ線性聲源位于樣品的上邊界附近，激發(fā)頻率為174.5khz，對應(yīng)于圖11中的1模式。圖12左側(cè)為雙層傳感器的上層，圖12右側(cè)為雙層傳感器的下層。
[0052]
圖13為本發(fā)明的雙層超材料傳感器的反對稱邊界模式的模擬實驗。沿傳播方向反對稱線性聲源位于樣品的上邊界附近，激發(fā)頻率為171.5khz，對應(yīng)于圖11中的2模式。圖13左側(cè)為雙層傳感器的上層，圖13右側(cè)為雙層傳感器的下層。
[0053]
從圖12和圖13可以看出，本實施例提供的基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器能夠有效調(diào)控能量的傳播，具有很好的信號保真度和信噪比。
[0054]
本發(fā)明提供了一種基于三維金屬打印技術(shù)的雙層c6v點陣超材料傳感器的思路，具體實現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的具體實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。