專利名稱：一種聲二極管及檢測聲二極管的系統(tǒng)的制作方法
一種聲二極管及檢測聲二極管的系統(tǒng)
技術領域：
本發(fā)明涉及聲二極管領域，具體指一種聲二極管及檢測聲二極管的系統(tǒng)。背景技術：
眾所周知，電二極管的產生堪稱現(xiàn)代電子科技革命的里程碑，而聲波是比電更常見的能量載體，若能實現(xiàn)類似電二極管的整流效應，將給世界帶來超乎想象的改變。即聲二極管的應用，若能像電子二極管控制電流一樣實現(xiàn)聲波的整流，即聲波分別由系統(tǒng)兩側入射時具有類似電子二極管一樣的“單向導通”的透射特性，其意義及應用價值的重要性將無法估量。然而由于線性聲學系統(tǒng)中互易原理的限制，如何在聲學系統(tǒng)中實現(xiàn)聲整流效應一直是物理研究領域中的難題之一。且目前的研究僅停留在理論階段，并無相關實驗結果的支持，因而繼續(xù)開展對聲二極管的研究不僅十分重要，也是非常必要的。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有在聲學系統(tǒng)中無法聲整流效應的問題，而提出一種聲二極管及檢測可產生聲整流效應的聲二極管的系統(tǒng)。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下一種檢測聲二極管的系統(tǒng)，包括一聲二極管；—對多頻超高速換能器，設置在聲二極管的兩端；一驅動電路，連接所述多頻超高速換能器的發(fā)射端，所述驅動電路包括一波形發(fā)生器和與波形發(fā)生器連接的射頻功率放大器，所述波形發(fā)生器產生正弦信號通過射頻功率放大器驅動一多頻超高速換能器發(fā)出測量聲信號；一數(shù)字示波器，連接另一多頻超高速換能器，接收該多頻超高速換能器收到的信號進行數(shù)字化處理；所述波形發(fā)生器和數(shù)字示波器連接一計算機，所述計算機處理反饋的信號。
優(yōu)選的，所述聲二極管沉浸設置在一注入水的水箱中。所述聲二極管包含一段層狀超晶格結構的媒質和與之連接的另一段強聲學非線性的含氣泡材料的媒質。所述層狀超晶格結構的媒質包括一水層、一玻璃層，相互交替設置；所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質為超聲造影劑微泡溶液。一種聲二極管，包括一管殼，所述管殼的一段設有層狀超晶格結構的媒質，余下的另一段設有強聲學非線性的含氣泡材料的媒質，所述層狀超晶格結構的媒質包括第一媒質和第二媒質，所述第一媒質和第二媒質相互交替構成層狀結構，所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質的線性力學參數(shù)與第一媒質的線性力學參數(shù)相同。優(yōu)選的，第一媒質的水層，第二媒質為玻璃層，所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質為超聲造影劑微泡溶液。
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進一步的，所述層狀超晶格結構的媒質包含有六層第二媒質。所述管殼為鋁管，所述鋁管內設有聚乙烯構成的膜腔，所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質設置在聚乙烯的膜腔內。所述鋁管的內半徑為50mm，玻璃層的厚度為1.4mm，水層的厚度為1.2mm，強聲學非線性含氣泡材料的媒質的長度不小于30mm。本發(fā)明的聲二極管，由管殼的一段設有層狀超晶格結構的媒質和余下的另一段設有強聲學非線性的含氣泡材料的媒質的有機組合，成功構建了一個結構簡單的高效聲二極管器件，測得最高整流比近一萬倍。通過引入非線性機制打破線性條件下互易原理的限制， 同時利用聲子晶體的能帶特性產生濾波作用，巧妙的破壞了系統(tǒng)的對稱性，首次實現(xiàn)了將聲能流限制在單一方向上的聲整流效應。聲二極管模型盡管結構簡單但十分有效，并可方便地拓展為效率更高的復雜結構，其成果對于聲能流控制的實驗研究具有重要的意義。

圖1為本發(fā)明的檢測聲二極管的系統(tǒng)的示意圖；圖2為本發(fā)明的二極管的結構示意圖；圖3為層狀超晶格結構的媒質中聲透射系數(shù)的理論值與實驗值對比圖；圖4為三個不同的強聲學非線性的含氣泡材料的媒質構成的聲二極管的聲整流比的測量值圖。
具體實施方式下面結合附圖，對本發(fā)明作詳細說明。參圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)對聲二極管20的聲透射系數(shù)進行測量。聲二極管20 被放置在一個足夠大的水箱內，在本實施例中水箱10的尺寸為60Cm*40Cm*40Cm，所述水箱 10內壁反射的聲信號可以忽略。一對多頻超高速換能器被置于聲二極管20的兩側，分別用作發(fā)射器31與接收器32，測量聲波沿兩個相反方向傳播時的透射系數(shù)大小。驅動電路部分包括一個波形發(fā)生器50及一個射頻功率放大器40。所述波形發(fā)生器50以50Hz的脈沖重復頻率發(fā)出包含40個周期的正弦信號，然后通過以固定增益55dB的射頻功率放大器40驅動多頻超高速換能器的發(fā)射器31，從聲二極管20—側發(fā)出測量聲信號。該信號透過聲二極管20后由置于另一側的接收器32收到后經數(shù)字示波器60進行數(shù)字化處理，然后儲存于計算機70用于后處理。本實施例中對接收到的信號進行了 16次平均以提高信噪比。參圖2所示，所述聲二極管20器件包括一個鋁管21，鋁管21的一段設有層狀超晶格結構的媒質22，與之相連的另一段設有強聲學非線性的含氣泡材料的媒質23，所述鋁管的內半徑為50mm。所述層狀超晶格結構的媒質由6片相同厚度，即1. 4mm的玻璃層II交替放置在水中構成，相鄰兩個玻璃層II之間的距離均為1. 2mm。圖2中的水層I與玻璃層分別用I和II標示；本實施例中選用了含超聲造影劑微泡溶液III制作強聲學非線性的含氣泡材料的媒質23，強聲學非線性含氣泡材料的媒質23的長度不小于30mm，其內含的超聲造影劑微泡溶液III被封閉在鋁管21內的聚乙烯構成的膜腔內，與層狀超晶格結構的媒質22相隔離；選用超聲造影劑微泡溶液III的原因有兩方面第一、超聲造影劑微泡溶液 III已在理論上及實驗上被證明具有很好的聲學非線性效應，這對于聲二極管20器件的設計制備及聲整流現(xiàn)象的實驗觀測均十分有利；第二、超聲造影劑微泡溶液III長期以來在生物醫(yī)學超聲等領域已得到極其廣泛的應用，在臨床上被證明對人體是十分安全的。選用超聲造影劑微泡溶液III來構建聲二極管20器件，在未來在醫(yī)學超聲等關鍵領域的應用具有重要意義。在本實施例中，非線性機制的引入是為破壞系統(tǒng)對稱性，使入射的聲能量被部分轉移到二次諧波上，同時利用層狀超晶格結構的媒質22的能帶特性產生濾波作用，對二次諧波呈“帶通”而對基波呈“帶阻”。當聲波由強聲學非線性的含氣泡材料的媒質23 —側入射時，因聲學非線性效應產生的二次諧波可以通過整個系統(tǒng)，而由另一側入射的聲能量則直接被聲子晶體結構完全反射，就可能使該系統(tǒng)表現(xiàn)出與電子二極管類似的基本特征。對于聲二極管20器件，一般定義聲波由非線性媒質一側入射時的傳播方向為正方向，反之則為負方向。由聲二極管的工作原理可知，聲整流效應只能在一系列頻帶內實現(xiàn)，即必須滿足入射聲波頻率位于超晶格通帶內、而其二次諧波位于禁帶內的工作條件。換言之，聲二極管的有效工作頻段完全由超晶格結構的媒質的能帶關系決定。因此首先單獨測量了超晶格結構的媒質本身的聲透射特性，并采用傳遞矩陣方法進行了相應的理論計算，理論結果與實驗測量值之間的對比如圖3所示，圖中左邊灰色區(qū)域為理論預測的可產生聲整流效應的兩個頻段，用1與2標示；在聲整流頻段中，入射波的頻率位于超晶格的禁帶而其對應的二次諧波頻率位于超晶格的通帶中，圖中為右邊灰色區(qū)域；圖中黑色曲線a為超晶格樣品的聲透射特性的實驗測量值，藍色曲線b為采用理想參數(shù)，即假定超晶格樣品中所有結構參數(shù)均嚴格相等時的理論計算結果，紅色曲線c則為采用實測參數(shù)后的理論計算結果。由圖可看出，超晶格結構的媒質的聲透射系數(shù)的測量結果能夠與理論計算結果較好吻合，且計入了聲二極管的結構參數(shù)加工誤差的理論計算曲線與實驗測量結果更為接近。在0. 5MHz至 2. 3MHz的實驗測量頻段內，理論計算與實驗測量均表明存在兩個滿足前述聲整流條件的頻段，聲整流現(xiàn)象有可能在這兩個頻段內出現(xiàn)。除此之外，還對由三個不同的強聲學非線性的含氣泡材料的媒質構成的聲二極管分別測量了聲波沿正、反兩個方向傳播時的透射系數(shù)隨入射聲波頻率的變化規(guī)律，測量得出，沿正方向與反方向傳播的聲波的透射特性存在極大差異，證明了聲二極管效應的存在。 在聲整流頻段外，兩個相反方向上的聲透射系數(shù)基本相同，僅存在微小的實驗測量誤差。此外，超聲造影劑微泡溶液的濃度改變顯著的影響著聲二極管器件的整流效率。為更好的研究聲二極管的整流特性，引入了聲整流比參量，定義為T+/T-，所述τ+(τ-)為聲波沿正 (反)方向傳播時的能量透射系數(shù)，如圖4所示，三種濃度的超聲造影劑微泡溶液構成的聲二極管的聲整流比的實驗測量值，其中濃度為0. 025%的藍線e標示、濃度0. 05%的紅線f 標示及濃度0. 的黑線g標示，可清楚的觀察到在聲整流頻段內，聲二極管表現(xiàn)出了極高的整流效率，最大整流比接近一萬倍。此外，聲二極管的工作效率受超聲造影劑微泡溶液濃度的影響，且存在一個相對的最優(yōu)化值；當超聲造影劑微泡溶液的濃度含量過低時，強聲學非線性的含氣泡材料的媒質的聲學非線性效應很弱，致使由其構成的聲二極管整流效率底下；然而過高的超聲造影劑微泡溶液濃度會造成氣泡對聲波的衰減效應過大，同樣降低了聲二極管的工作效率。此外，還測得的聲二極管透射聲能流隨入射聲壓的變化規(guī)律。在反方向聲波的作
5用下聲二極管20始終保持“截止”狀態(tài)，聲能流無法透過；然而在正方向聲能流的作用下聲二極管20呈現(xiàn)出部分“導通”的現(xiàn)象，且“導通率”隨入射聲強的提高不斷增大。本發(fā)明將層狀超晶格結構的媒質和強聲學非線性的含氣泡材料的媒質的有機組合，成功構建了一個結構簡單的高效聲二極管器件，是復雜媒質中聲能量控制研究領域的重大突破，不僅驗證了聲二極管理論的正確性，更有望在醫(yī)學超聲等關鍵領域產生重大應用，具有無法估量的發(fā)展前景。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發(fā)明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求
1.一種檢測聲二極管的系統(tǒng)，其特征在于包括一聲二極管；一對多頻超高速換能器，設置在聲二極管的兩端；一驅動電路，連接所述多頻超高速換能器的發(fā)射端，所述驅動電路包括一波形發(fā)生器和與波形發(fā)生器連接的射頻功率放大器，所述波形發(fā)生器產生正弦信號通過射頻功率放大器驅動一多頻超高速換能器發(fā)出測量聲信號；一數(shù)字示波器，連接另一多頻超高速換能器，接收該多頻超高速換能器收到的信號進行數(shù)字化處理；所述波形發(fā)生器和數(shù)字示波器連接一計算機，所述計算機處理反饋的信號。
2.根據權利要求1所述檢測聲二極管的系統(tǒng)，其特征在于所述聲二極管沉浸設置在一注入水的水箱中。
3.根據權利要求1或2所述檢測聲二極管的系統(tǒng)，其特征在于所述聲二極管包含一段層狀超晶格結構的媒質和與之連接的另一段強聲學非線性的含氣泡材料的媒質。
4.根據權利要求3所述檢測聲二極管的系統(tǒng)，其特征在于所述層狀超晶格結構的媒質包括一水層、一玻璃層，相互交替設置；所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質為超聲造影劑微泡溶液。
5.一種聲二極管，其特著特征在于包括一管殼，所述管殼的一段設有層狀超晶格結構的媒質，余下的另一段設有強聲學非線性的含氣泡材料的媒質，所述層狀超晶格結構的媒質包括第一媒質和第二媒質，所述第一媒質和第二媒質相互交替構成層狀結構，所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質的線性力學參數(shù)與第一媒質的線性力學參數(shù)相同。
6.根據權利要求5所述聲二極管，其特征在于第一媒質的水層，第二媒質為玻璃層， 所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質為超聲造影劑微泡溶液。
7.根據權利要求5所述聲二極管，其特征在于所述層狀超晶格結構的媒質包含有六層第二媒質。
8.根據權利要求5或6所述聲二極管，其特征在于所述管殼為鋁管，所述鋁管內設有聚乙烯構成的膜腔，所述強聲學非線性含氣泡材料的媒質設置在聚乙烯的膜腔內。
9.根據權利要求8所述聲二極管，其特征在于所述鋁管的內半徑為50mm，玻璃層的厚度為1. 4mm，水層的厚度為1. 2mm，強聲學非線性含氣泡材料的媒質的長度不小于30mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及聲二極管領域，具體指一種聲二極管及檢測聲二極管的系統(tǒng)。由管殼的一段設有層狀超晶格結構的媒質和余下的另一段設有強聲學非線性的含氣泡材料的媒質的有機組合，成功構建了一個結構簡單的高效聲二極管器件，測得最高整流比近一萬倍。通過引入非線性機制打破線性條件下互易原理的限制，同時利用聲子晶體的能帶特性產生濾波作用，巧妙的破壞了系統(tǒng)的對稱性，首次實現(xiàn)了將聲能流限制在單一方向上的聲整流效應。聲二極管模型盡管結構簡單但十分有效，并可方便地拓展為效率更高的復雜結構，其成果對于聲能流控制的實驗研究具有重要的意義。
文檔編號G01H3/00GK102175300SQ201110028240
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權日2011年1月26日
發(fā)明者屠娟, 梁彬, 程建春, 章東, 郭霞生 申請人:南京大學, 瑞聲聲學科技(深圳)有限公司, 瑞聲聲學科技研發(fā)(南京)有限公司