Acoustic Add-Drop Filter Design With Phononic Crystals Containing One-Dimensional Periodic Cavities

Öz

Operation and performance of an acoustic add-drop filter which incorporates one-dimensional cylindrical periodic cavities on a solid surface in air environment are numerically investigated. In case of 20 kHz target operation frequency, a surface band covering this frequency with broad dispersion is determined through band structure calculations via the Finite-Element Method when cavities with 5.0 mm period and 2.0 mm radii are embedded into the surface by 30% from their centers. Interacting Bloch surface acoustic waves localized in the cavity and neighboring narrow air region become symmetric and asymmetric modes of two distinct surface bands overlapping in a particular frequency range for two facing surfaces 1.5 periods apart. When a circular ring resonator with 67.6 mm radius, incorporating 85 cavities, is placed between the waveguides so that it is 1.5 period away from each, frequency-domain Finite-Element simulations at 20 kHz reveal that drop port output maximum is observed, whereas through and add outputs are minimum. Port outputs exhibit a fluctuating behavior where the observed peaks appear more frequently with increasing frequency. A peak of the drop port with 57 Hz width and a quality factor of 387 is observed at 22.08 kHz. The proposed acoustic add-drop filter can be utilized in areas such as acoustic signal processing, acoustic logic and ultrasonic sensors. 

Anahtar Kelimeler

• Surface acoustic waves,ring resonator,add-drop filter,mode coupling,, beat,Finite Element Method.

Bir Boyutlu Periyodik Kaviteler İçeren Fononik Kristaller ile Akustik Ekle-Bırak Filtresi Tasarımı

Öz

Katı yüzeyde bir boyutta periyodik silindirik kaviteler içeren dalga kılavuzları ve halka çınlaç kullanılarak tasarlanan bir akustik ekle-bırak filtresinin hava ortamında çalışması ve performansı sayısal olarak incelenmiştir. 20 kHz civarında çalışma hedeflendiğinde, periyodu 5.0 mm olan 2.0 mm yarıçaplı kaviteler yüzeye merkezlerinden itibaren yarıçapın %30’u kadar gömüldüğünde, Sonlu Elemanlar Yöntemi kullanılarak yapılan band yapısı hesaplamaları sonucunda hedef çalışma frekansını kapsayan geniş dispersiyon sergileyen yüzey bandı belirlenmiştir. Kaviteye ve komşuluğundaki dar bir hava bölgesine lokalize olan etkileşimli Bloch yüzey akustik dalgaları, birbirine bakan ve periyodun 1.5 katı uzaklıkta iki yüzey için birbirinden ayrışan ve belirli bir frekans aralığında örtüşen iki adet yüzey bandındaki simetrik ve asimetrik kipler halini almaktadır. Dalga kılavuzları arasına her bir kılavuz ile mesafesi 1.5 periyot olan ve toplam 85 kavite içeren 67.6 mm yarıçaplı dairesel halka çınlaç konulduğunda, frekansa bağlı Sonlu Elemanlar Yöntemi simülasyonları ile 20 kHz frekansında bırak portu çıkışında maksimum gözlenirken, direkt ve ekle portlarından minimum çıkış belirlenmiştir. Port çıkışları frekansa bağlı olarak dalgalı seyir izlemekte ve gözlenen pikler artan frekans ile sıklaşmaktadır. 22.08 kHz frekansında bırak portu çıkışında genişliği 57 Hz ve kalite faktörü 387 olan pik gözlenmektedir. Önerilen akustik ekle-bırak filtresi akustik sinyal işleme, akustik mantık ve ultrasonik sensörler gibi alanlarda kullanılabilir.

Anahtar Kelimeler

• Yüzey akustik dalgaları,halka çınlaç,ekle-bırak filtresi,kip eşleşmesi,vuru,Sonlu Elemanlar Yöntemi

Kaynakça

1. Christensen, J., Fernandez-Dominguez, A. I., de Leon-Perez, F., Martin-Moreno, L., ve Garcia-Vidal, F. J. 2007. “Collimation of sound assisted by acoustic surface waves”, Nature Physics 3(12), 851.
2. Christensen, J., Martín-Moreno, L., ve Garcia-Vidal, F. J. 2010. “Enhanced acoustical transmission and beaming effect through a single aperture”, Physical Review B, 81(17), 174104.
3. Cicek, A., Arslan, Y., Trak, D., Okay, F. C., Kaya, O. A., Korozlu, N., ve Ulug, B. 2019. “Gas sensing through evanescent coupling of spoof surface acoustic waves”, Sensors and Actuators B: Chemical, 288, 259-265.
4. COMSOL, Inc. 2019. COMSOL Multiphysics Modeling Software, URL: https://comsol.com , Son erişim tarihi: 21/11/2019.
5. Cui, J., Liu, J., Mao, Y., Li, Y., ve Liu, X. 2017. “Realization of manipulating acoustic surface waves radiation direction with rectangular-groove structure”, AIP Advances, 7(11), 115301.
6. He, Z., Jia, H., Qiu, C., Ye, Y., Hao, R., Ke, M., ve Liu, Z. 2011. “Nonleaky surface acoustic waves on a textured rigid surface”, Physical Review B, 83(13), 132101.
7. Jia, H., Lu, M., Ni, X., Bao, M., ve Li, X. 2014. “Spatial separation of spoof surface acoustic waves on the graded groove grating”, Journal of Applied Physics, 116(12), 124504.
8. Jia, H., Lu, M., Wang, Q., Bao, M., ve Li, X. 2013. “Subwavelength imaging through spoof surface acoustic waves on a two-dimensional structured rigid surface”, Applied Physics Letters, 103(10), 103505.

9. Kelders, L., Allard, J. F., ve Lauriks, W. 1998. “Ultrasonic surface waves above rectangular-groove gratings”, The Journal of the Acoustical Society of America, 103(5), 2730-2733.
10. Khelif, A., Aoubiza, B., Mohammadi, S., Adibi, A., ve Laude, V. 2006. “Complete band gaps in two-dimensional phononic crystal slabs”, Physical Review E, 74(4), 046610.
11. Korozlu, N., Kaya, O. A., Cicek, A., ve Ulug, B. 2019. “Self-collimation and slow-sound effect of spoof surface acoustic waves”, Journal of Applied Physics, 125(7), 074901.
12. Lu, J., Qiu, C., Ke, M., ve Liu, Z. 2015. “Directional excitation of the designer surface acoustic waves”, Applied Physics Letters, 106(20), 201901.
13. Mai, T. T., Hsiao, F. L., Lee, C., Xiang, W., Chen, C. C., ve Choi, W. K. 2011. “Optimization and comparison of photonic crystal resonators for silicon microcantilever sensors”, Sensors and Actuators A: Physical, 165(1), 16-25.
14. Qiang, Z., Zhou, W., ve Soref, R. A. 2007. “Optical add-drop filters based on photonic crystal ring resonators”, Optics Express, 15(4), 1823-1831.
15. Rostami-Dogolsara, B., Moravvej-Farshi, M. K., ve Nazari, F. 2016. “Acoustic add-drop filters based on phononic crystal ring resonators”, Physical Review B, 93(1), 014304.
16. Sarkaleh, A. K., Lahijani, B. V., Saberkari, H., ve Esmaeeli, A. 2017. “Optical ring resonators: a platform for biological sensing applications”, Journal of Medical Signals and Sensors, 7(3), 185.
17. Schwan, L., Geslain, A., Romero-García, V., ve Groby, J. P. 2017. “Complex dispersion relation of surface acoustic waves at a lossy metasurface”, Applied Physics Letters, 110(5), 051902.
18. Torrent, D., ve Sánchez-Dehesa, J. 2012. “Acoustic analogue of graphene: observation of Dirac cones in acoustic surface waves”, Physical Review Letters, 108(17), 174301.
19. Xie, S., Ouyang, S., He, Z., Wang, X., Deng, K., ve Zhao, H. 2018. “Bending and splitting of spoof surface acoustic waves through structured rigid surface”, Results in Physics, 8, 52-56.
20. Yaffe, H. H., Henry, C. H., Serbin, M. R., ve Cohen, L. G. 1994. “Resonant couplers acting as add-drop filters made with silica-on-silicon waveguide technology”, Journal of Lightwave Technology, 12(6), 1010-1014.
21. Ye, Y., Ke, M., Li, Y., Wang, T., ve Liu, Z. 201). “Focusing of spoof surface-acoustic-waves by a gradient-index structure”, Journal of Applied Physics, 114(15), 154504.
22. Zhou, Y., Lu, M. H., Feng, L., Ni, X., Chen, Y. F., Zhu, Y. Y., Zhu, S. N., ve Ming, N. B. 2010. “Acoustic surface evanescent wave and its dominant contribution to extraordinary acoustic transmission and collimation of sound”, Physical Review Letters, 104(16), 164301.
23. Zhu, J., Chen, Y., Zhu, X., Garcia-Vidal, F. J., Yin, X., Zhang, W., ve Zhang, X. 2013. “Acoustic rainbow trapping”, Scientific Reports, 3, 1728.