专利摘要

本发明涉及声二极管领域，具体指一种声二极管及检测声二极管的系统。由管壳的一段设有层状超晶格结构的媒质和余下的另一段设有强声学非线性的含气泡材料的媒质的有机组合，成功构建了一个结构简单的高效声二极管器件，测得最高整流比近一万倍。通过引入非线性机制打破线性条件下互易原理的限制，同时利用声子晶体的能带特性产生滤波作用，巧妙的破坏了系统的对称性，首次实现了将声能流限制在单一方向上的声整流效应。声二极管模型尽管结构简单但十分有效，并可方便地拓展为效率更高的复杂结构，其成果对于声能流控制的实验研究具有重要的意义。

说明书

【技术领域】

本发明涉及声二极管领域，具体指一种声二极管及检测声二极管的系统。

【背景技术】

众所周知，电二极管的产生堪称现代电子科技革命的里程碑，而声波是比电更常见的能量载体，若能实现类似电二极管的整流效应，将给世界带来超乎想象的改变。即声二极管的应用，若能像电子二极管控制电流一样实现声波的整流，即声波分别由系统两侧入射时具有类似电子二极管一样的“单向导通”的透射特性，其意义及应用价值的重要性将无法估量。然而由于线性声学系统中互易原理的限制，如何在声学系统中实现声整流效应一直是物理研究领域中的难题之一。且目前的研究仅停留在理论阶段，并无相关实验结果的支持，因而继续开展对声二极管的研究不仅十分重要，也是非常必要的。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有在声学系统中无法声整流效应的问题，而提出一种声二极管及检测可产生声整流效应的声二极管的系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种检测声二极管的系统，包括：

一声二极管；

一对多频超高速换能器，设置在声二极管的两端；

一驱动电路，连接所述多频超高速换能器的发射端，所述驱动电路包括一波形发生器和与波形发生器连接的射频功率放大器，所述波形发生器产生正弦信号通过射频功率放大器驱动一多频超高速换能器发出测量声信号；

一数字示波器，连接另一多频超高速换能器，接收该多频超高速换能器收到的信号进行数字化处理；

所述波形发生器和数字示波器连接一计算机，所述计算机处理反馈的信号。

优选的，所述声二极管沉浸设置在一注入水的水箱中。

所述声二极管包含一段层状超晶格结构的媒质和与之连接的另一段强声学非线性的含气泡材料的媒质。

所述层状超晶格结构的媒质包括一水层、一玻璃层，相互交替设置；所述强声学非线性含气泡材料的媒质为超声造影剂微泡溶液。

一种声二极管，包括一管壳，所述管壳的一段设有层状超晶格结构的媒质，余下的另一段设有强声学非线性的含气泡材料的媒质，所述层状超晶格结构的媒质包括第一媒质和第二媒质，所述第一媒质和第二媒质相互交替构成层状结构，所述强声学非线性含气泡材料的媒质的线性力学参数与第一媒质的线性力学参数相同。

优选的，第一媒质的水层，第二媒质为玻璃层，所述强声学非线性含气泡材料的媒质为超声造影剂微泡溶液。

进一步的，所述层状超晶格结构的媒质包含有六层第二媒质。

所述管壳为铝管，所述铝管内设有聚乙烯构成的膜腔，所述强声学非线性含气泡材料的媒质设置在聚乙烯的膜腔内。

所述铝管的内半径为50mm，玻璃层的厚度为1.4mm，水层的厚度为1.2mm，强声学非线性含气泡材料的媒质的长度不小于30mm。

本发明的声二极管，由管壳的一段设有层状超晶格结构的媒质和余下的另一段设有强声学非线性的含气泡材料的媒质的有机组合，成功构建了一个结构简单的高效声二极管器件，测得最高整流比近一万倍。通过引入非线性机制打破线性条件下互易原理的限制，同时利用声子晶体的能带特性产生滤波作用，巧妙的破坏了系统的对称性，首次实现了将声能流限制在单一方向上的声整流效应。声二极管模型尽管结构简单但十分有效，并可方便地拓展为效率更高的复杂结构，其成果对于声能流控制的实验研究具有重要的意义。

【附图说明】

图1为本发明的检测声二极管的系统的示意图；

图2为本发明的二极管的结构示意图；

图3为层状超晶格结构的媒质中声透射系数的理论值与实验值对比图；

图4为三个不同的强声学非线性的含气泡材料的媒质构成的声二极管的声整流比的测量值图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明作详细说明。

参图1所示，本发明的系统对声二极管20的声透射系数进行测量。声二极管20被放置在一个足够大的水箱内，在本实施例中水箱10的尺寸为60cm*40cm*40cm，所述水箱10内壁反射的声信号可以忽略。一对多频超高速换能器被置于声二极管20的两侧，分别用作发射器31与接收器32，测量声波沿两个相反方向传播时的透射系数大小。驱动电路部分包括一个波形发生器50及一个射频功率放大器40。所述波形发生器50以50Hz的脉冲重复频率发出包含40个周期的正弦信号，然后通过以固定增益55dB的射频功率放大器40驱动多频超高速换能器的发射器31，从声二极管20一侧发出测量声信号。该信号透过声二极管20后由置于另一侧的接收器32收到后经数字示波器60进行数字化处理，然后储存于计算机70用于后处理。本实施例中对接收到的信号进行了16次平均以提高信噪比。

参图2所示，所述声二极管20器件包括一个铝管21，铝管21的一段设有层状超晶格结构的媒质22，与之相连的另一段设有强声学非线性的含气泡材料的媒质23，所述铝管的内半径为50mm。所述层状超晶格结构的媒质由6片相同厚度，即1.4mm的玻璃层II交替放置在水中构成，相邻两个玻璃层II之间的距离均为1.2mm。图2中的水层I与玻璃层分别用I和II标示；本实施例中选用了含超声造影剂微泡溶液III制作强声学非线性的含气泡材料的媒质23，强声学非线性含气泡材料的媒质23的长度不小于30mm，其内含的超声造影剂微泡溶液III被封闭在铝管21内的聚乙烯构成的膜腔内，与层状超晶格结构的媒质22相隔离；选用超声造影剂微泡溶液III的原因有两方面：第一、超声造影剂微泡溶液III已在理论上及实验上被证明具有很好的声学非线性效应，这对于声二极管20器件的设计制备及声整流现象的实验观测均十分有利；第二、超声造影剂微泡溶液III长期以来在生物医学超声等领域已得到极其广泛的应用，在临床上被证明对人体是十分安全的。选用超声造影剂微泡溶液III来构建声二极管20器件，在未来在医学超声等关键领域的应用具有重要意义。

在本实施例中，非线性机制的引入是为破坏系统对称性，使入射的声能量被部分转移到二次谐波上，同时利用层状超晶格结构的媒质22的能带特性产生滤波作用，对二次谐波呈“带通”而对基波呈“带阻”。当声波由强声学非线性的含气泡材料的媒质23一侧入射时，因声学非线性效应产生的二次谐波可以通过整个系统，而由另一侧入射的声能量则直接被声子晶体结构完全反射，就可能使该系统表现出与电子二极管类似的基本特征。对于声二极管20器件，一般定义声波由非线性媒质一侧入射时的传播方向为正方向，反之则为负方向。

由声二极管的工作原理可知，声整流效应只能在一系列频带内实现，即必须满足入射声波频率位于超晶格通带内、而其二次谐波位于禁带内的工作条件。换言之，声二极管的有效工作频段完全由超晶格结构的媒质的能带关系决定。因此首先单独测量了超晶格结构的媒质本身的声透射特性，并采用传递矩阵方法进行了相应的理论计算，理论结果与实验测量值之间的对比如图3所示，图中左边灰色区域为理论预测的可产生声整流效应的两个频段，用1与2标示；在声整流频段中，入射波的频率位于超晶格的禁带而其对应的二次谐波频率位于超晶格的通带中，图中为右边灰色区域；图中黑色曲线a为超晶格样品的声透射特性的实验测量值，蓝色曲线b为采用理想参数，即假定超晶格样品中所有结构参数均严格相等时的理论计算结果，红色曲线c则为采用实测参数后的理论计算结果。由图可看出，超晶格结构的媒质的声透射系数的测量结果能够与理论计算结果较好吻合，且计入了声二极管的结构参数加工误差的理论计算曲线与实验测量结果更为接近。在0.5MHz至2.3MHz的实验测量频段内，理论计算与实验测量均表明存在两个满足前述声整流条件的频段，声整流现象有可能在这两个频段内出现。

除此之外，还对由三个不同的强声学非线性的含气泡材料的媒质构成的声二极管分别测量了声波沿正、反两个方向传播时的透射系数随入射声波频率的变化规律，测量得出，沿正方向与反方向传播的声波的透射特性存在极大差异，证明了声二极管效应的存在。在声整流频段外，两个相反方向上的声透射系数基本相同，仅存在微小的实验测量误差。此外，超声造影剂微泡溶液的浓度改变显著的影响着声二极管器件的整流效率。为更好的研究声二极管的整流特性，引入了声整流比参量，定义为T+/T-，所述T+(T-)为声波沿正(反)方向传播时的能量透射系数，如图4所示，三种浓度的超声造影剂微泡溶液构成的声二极管的声整流比的实验测量值，其中浓度为0.025％的蓝线e标示、浓度0.05％的红线f标示及浓度0.1％的黑线g标示，可清楚的观察到在声整流频段内，声二极管表现出了极高的整流效率，最大整流比接近一万倍。此外，声二极管的工作效率受超声造影剂微泡溶液浓度的影响，且存在一个相对的最优化值；当超声造影剂微泡溶液的浓度含量过低时，强声学非线性的含气泡材料的媒质的声学非线性效应很弱，致使由其构成的声二极管整流效率底下；然而过高的超声造影剂微泡溶液浓度会造成气泡对声波的衰减效应过大，同样降低了声二极管的工作效率。

此外，还测得的声二极管透射声能流随入射声压的变化规律。在反方向声波的作用下声二极管20始终保持“截止”状态，声能流无法透过；然而在正方向声能流的作用下声二极管20呈现出部分“导通”的现象，且“导通率”随入射声强的提高不断增大。

本发明将层状超晶格结构的媒质和强声学非线性的含气泡材料的媒质的有机组合，成功构建了一个结构简单的高效声二极管器件，是复杂媒质中声能量控制研究领域的重大突破，不仅验证了声二极管理论的正确性，更有望在医学超声等关键领域产生重大应用，具有无法估量的发展前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

一种声二极管及检测声二极管的系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。