一种利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法，该方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法


[0001]本专利技术涉及声子晶体
，尤其涉及一种利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法。

技术介绍

[0002]声子晶体是一种人工制造的材料，具有特殊的声学性质。它是由周期性排列的孔洞或刚性介质构成的，可以控制和操纵声波的传播。声子晶体的结构类似于电子晶体，但是它控制的是声波而不是电子。声子晶体在声波过滤、声学隔离和声波波导等领域有着广泛的应用。
[0003]拓扑声子晶体是一种特殊类型的声子晶体，它具有拓扑保护的声学特性。拓扑声子晶体中，声波传播可以在材料表面或边界上发生特殊的拓扑现象，这种现象类似于拓扑绝缘体中的电子传播。与普通的声子晶体不同，拓扑声子晶体的声学性质不依赖于材料的局部细节，而是由材料的拓扑结构所确定。
[0004]拓扑声子晶体具有很多独特的声学性质，例如边界声模式的出现、声波的无散射传播、声学拓扑相变等。这些特性使得拓扑声子晶体在声学传感、声波处理和声学通信等领域有着潜在的应用。
[0005]由于拓扑声子的性质与其结构息息相关，因此在对拓扑声子晶体的研究中，其新结构设计非常重要。传统拓扑声子晶体结构的设计，一般由研究者结合拓扑理论知识与经验设计声子晶体结构再采用计算结构的拓扑不变量，或用有限元等方法的计算机模拟验证是否具有拓扑性质，由此来判断设计者设计的新结构声子晶体是否具有拓扑性质。但因为声子晶体具有拓扑性质条件苛刻，具有偶发性，绝大多数声子晶体结构并不具有拓扑性质，无法成为拓扑声子晶体。因此传统的拓扑声子晶体设计方式存在测试量大、设计产出效率低的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种提高产出效率与准确率的利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法。
[0007]为解决上述问题，本专利技术所述的一种利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法，包括以下步骤：
⑴
建立由拓扑声子晶体数据与非拓扑声子晶体数据组成的拓扑声子晶体数据库；
⑵
利用拓扑声子晶体数据库对声子晶体新结构采用神经网络算法进行训练，得到声子晶体新结构生成模型，进而生成声子晶体新结构；
⑶
利用拓扑声子晶体数据库对已知拓扑声子晶体与已知非拓扑声子晶体采用神经网络算法进行训练，得到拓扑声子晶体初判模型；
⑷
将声子晶体新结构输入给拓扑声子晶体初判模型，该拓扑声子晶体初判模型依据声子晶体结构与能带特定特征映射关系对声子晶体新结构进行初判断；声子晶体结构与
能带特定特征的映射关系如下式所示：式中：为狄拉克锥的高对称点；k是一个描述拓扑声子晶体概率的函数；当高对称点处第三条能带与第四条能带的差值小于或等于30Hz时，初判为具有拓扑性质，则该声子晶体为拓扑声子晶体，判断通过并输入到拓扑不变量计算模型；当差值大于30Hz时，初判为无拓扑性质，则该声子晶体为非拓扑声子晶体，判断不通过并输入到拓扑声子晶体数据库的非拓扑声子晶体数据中；
⑸
判断通过的声子晶体新结构由拓扑不变量计算模型进行判断：当声子晶体新结构通过拓扑不变量计算，证明符合拓扑不变量计算要求时，则输入到有限元方法计算模型；当声子晶体新结构未通过拓扑不变量计算，证明不符合拓扑不变量计算要求时，则输入到拓扑声子晶体数据库的非拓扑声子晶体数据中；
⑹
判断通过的声子晶体新结构由有限元方法计算模型进行判断：当通过有限元方法计算，获得的声子晶体能带结构都符合拓扑声子晶体能带结构特征时，则认为该结构具有拓扑性质，是拓扑声子晶体，然后输入为拓扑声子晶体数据库中的拓扑声子晶体数据；当有限元方法计算模型判断未通过，证明不符合有限元方法计算要求时，则输入到拓扑声子晶体数据库的非拓扑声子晶体数据中。
[0008]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术以深度学习技术使计算机学习拓扑声子晶体设计规律，通过大量拓扑声子晶体结构与非拓扑声子晶体结构训练程序，并结合拓扑声子晶体研究中成熟物理判断方式综合性的判断生成新结构的拓扑性质，同时将过程中新生成的结构继续用于训练程序，形成反馈机制，从而达到提升拓扑声子晶体设计的产出效率与准确率的目的。
[0009]2、本专利技术拓扑不变量计算模型与有限元方法计算模型经过判断后的结构无论是否通过判断，都将成为拓扑声子晶体数据库中的一部分，补充后的拓扑声子晶体数据库再训练声子晶体新结构生成模型与拓扑声子晶体初判模型，从而形成一种反馈。
[0010]3、本专利技术通过局域特征提取的方式，简化能带特征提取流程，降低计算量。
附图说明
[0011]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0012]图1为本专利技术的流程框图。
[0013]图2为本专利技术中拓扑声子晶体数据库的建立示意图。
[0014]图3为采用本专利技术方法获得的声子晶体新结构示意图。
具体实施方式
[0015]本专利技术以拓扑声子晶体数据库为基础，用于训练声子晶体新结构生成模型与拓扑声子晶体初判模型，然后将拓扑声子晶体初判模型筛选过的结构数据分发，其次由拓扑不变量计算模型判断后结构数据分发，再由有限元方法计算判断筛选后结构数据分发，最终
获得拓扑声子晶体新结构。同时在程序运行过程中判断过后的结构数据（通过与未通过），用于训练声子晶体新结构生成模型与拓扑声子晶体初判模型形成反馈。
[0016]如图1所示，一种利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法，包括以下步骤：
⑴
建立由拓扑声子晶体数据与非拓扑声子晶体数据组成的拓扑声子晶体数据库。
[0017]其中：初始数据库通过声子晶体对应的能带图来分析其是否具有拓扑性质。能带图中高对称点处存在“狄拉克锥”时，该声子晶体结构将有可能具有拓扑性质，如图2所示。前期数据库建立，以简单的二维声子晶体结构为基础，通过有限元方法计算其能带结构，并通过改变这些简单二维声子晶体的结构，获得一定数量的基础数据（约4000个）。这些数据主要是包括二维声子晶体结构图和与之对应的能带结构图。
[0018]⑵
利用拓扑声子晶体数据库对声子晶体新结构采用神经网络算法进行训练，得到声子晶体新结构生成模型，进而生成声子晶体新结构。
[0019]⑶
利用拓扑声子晶体数据库对已知拓扑声子晶体与已知非拓扑声子晶体采用神经网络算法进行训练，得到拓扑声子晶体初判模型。
[0020]⑷
将声子晶体新结构输入给拓扑声子晶体初判模型，该拓扑声子晶体初判模型依据声子晶体结构与能带特定特征映射关系对声子晶体新结构进行初判断；声子晶体结构与能带特定特征的映射关系如下式所示：式中：为狄拉克锥的高对称点；k是一个描述拓扑声子晶体概率的函数。
[0021]该映射关系表示：在易形成狄拉克锥的高对称点处，以第三和第四条能带对应频率的差值作为初始判断依据。
[0022]当高对称点处第三条能带与第四条能带的差值小于或等于30Hz时，初判为具有拓扑性质，则该声子晶体为拓扑声子晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用反馈式程序设计拓扑声子晶体结构的方法，包括以下步骤：
⑴
建立由拓扑声子晶体数据与非拓扑声子晶体数据组成的拓扑声子晶体数据库；
⑵
利用拓扑声子晶体数据库对声子晶体新结构采用神经网络算法进行训练，得到声子晶体新结构生成模型，进而生成声子晶体新结构；
⑶
利用拓扑声子晶体数据库对已知拓扑声子晶体与已知非拓扑声子晶体采用神经网络算法进行训练，得到拓扑声子晶体初判模型；
⑷
将声子晶体新结构输入给拓扑声子晶体初判模型，该拓扑声子晶体初判模型依据声子晶体结构与能带特定特征映射关系对声子晶体新结构进行初判断；声子晶体结构与能带特定特征的映射关系如下式所示：式中：为狄拉克锥的高对称点；k是一个描述拓扑声子晶体概率的函数；当高对称点处第三条能带与第四条能带的差值小于或等于30Hz时，初判为具有拓扑性质，则该声子晶体为拓扑声子晶体，判断通...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小伟，虎林威，宋婷，温晓东，刘禧萱，王羿文，李云霞，刘子江，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：