一维三组元杆状结构声子晶体带隙研究

采用集中质量法对一维三组元杆状结构声子晶体带隙特征进行计算,将其与一维二组元杆状结构声子晶体进行比较。研究表明,一维三组元结构声子晶体能有效拓宽带隙频率范围且能降低起止频率。在一维二组元(铝/塑料)声子晶体组份材料铝和塑料之间插入丁腈橡胶前后,保证2个模型的晶格常数a=0.3m、自由度总数300相同。当组份比t为1时,三组元(铝/丁腈橡胶/塑料)声子晶体可以降低第1带隙的起始频率463.7Hz、截止频率2 108.1Hz。当三组元声子晶体晶格常数a由0.03m增大到0.42m时,该声子晶体第1带隙起始频率由18 943Hz下降到1 353.1Hz,截止频率由37 799Hz下降到2 699.9Hz。如果取三组元声子晶体的晶格常数为0.3m,固定其中铝的长度为0.15m,将丁腈橡胶和塑料的长度之和固定为0.15m,调节丁腈橡胶的长度由0m增大到0.15m时,该声子晶体第1带隙起始频率由2 359.8Hz下降到1 664.7Hz,截止频率由5 888.0Hz下降到4 065.3Hz。同时该声子晶体第1带隙宽度变化在低频率区存在一个峰值3 043.6Hz。这些变化规律对拓展一维杆状声子晶体的带隙特征具有积极意义。     

一维铝/铅匀直杆状声子晶体带隙特性分析

通过单一改变组分材料铝或者铅的密度,以及单一改变晶格常数的取值来调节一维铝/铅匀直杆状声子晶体的带隙分布情况.结果表明:该声子晶体中,当单一增大每种材料的密度时,散射体与基体材料的密度差值增大,其入射波散射就更为强烈,也就越容易产生低频带隙;当单一增大声子晶体的晶格常数,即增加复合结构的长度时,入射波散射得就越多,透射波就越来越少,该声子晶体带隙便呈现出向低频率区域靠近的特性.     

一维声子晶体的振动特性研究

利用平面波展开法计算了6种不同材料组分的一维杆状结构声子晶体振动带隙,分别讨论了晶格的尺寸大小、两种复合材料的组分比以及材料的密度等对声子晶体振动带隙频宽的影响.结果表明:在晶体的晶格尺寸大小、两种复合材料(金属和非金属)的组分比不变的情况下,振动的第一带隙的初始频率随着金属密度的增大而减小,截止频率基本不变;当所选材料的组分比不变时,随着晶格尺寸的增大,一维二组元复合声子晶体的振动带隙的初始频率及截止频率减小,同时带隙的频宽也随之减小;而当材料组分比小于1时即所选金属材料的份数小于非金属时,随着金属材料量的增大,振动带隙的初始频率及截止频率减小,从而带隙的频宽也减小;而当材料组分比大于1时即金属材料的份数大于非金属时,振动带隙的初始频率增大,截止频率减小,以及带隙的频宽也随之减小.     

温度变化对一维声子晶体带隙的调控分析

设计出基体材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT),散射体材料为钛酸锶钡(BST)的一维声子晶体匀直杆.因为组成该结构的2种材料的弹性模量和泊松比都与温度相关,温度的改变将引起材料物理参数的变化,从而导致晶体中弹性波带隙结构的变化.采用集中质量法,仿真计算该声子晶体中温度分别为30℃和45℃情况下,2种结构的带隙分布情况,寻找相应的变化规律。研究表明:对于一维二组元BST/PBT匀直杆状声子晶体结构,随着结构温度由30℃增大为45℃,该声子晶体的第1带隙及第2带隙的起始频率、截止频率以及带隙的中心频率降低;同时,温度增大能够减小第1带隙的带隙宽度,增大第2带隙的带隙宽度。温度变化为调控声子晶体的带隙特性提供了新的设计思路。另外,基于温度变化还可以通过改变结构晶格常数的取值来获得所需的带隙.     

基于1维石灰岩/硅橡胶声子晶体的振动控制研究

采用集中质量法计算了1维石灰岩/硅橡胶杆状声子晶体的带隙情况,系统分析了该声子晶体模型的结构参数和材料参数对带隙的调控规律.研究表明:结构的晶格常数增大时,带隙频率趋向低频率区域,带隙宽度变窄;增大两种材料的密度差值,或者增大两种材料的弹性模量差值,能够获得低频、宽带带隙;调节硅橡胶的厚度或组份比t也可以获得低频、宽带带隙,当t=0.426时,第1,第2带隙的起止频率下降到中、低频率1kHz以内;材料的泊松比变化对带隙影响可以忽略.总体而言,1维2组元石灰岩/硅橡胶杆状声子晶体具有中、低频率段的禁带特征,通过调节其相关参数可以实现不同的振动控制要求,对利用该声子晶体制备中、低频率段的弹性波/声波滤波振动控制器件具有一定的理论意义.     

二维固-固Suzuki晶格声子晶体薄板弯曲振动特性的研究

利用有限元法计算了二维Suzuki晶格声子晶体薄板弯曲振动的带隙结构及传输特性,讨论了填充率、板厚对Suzuki晶格声子晶体板带隙的影响.计算结果表明:Suzuki晶格声子晶体薄板存在振动带隙,即在散射体密度较大时,5000Hz以下存在一个完全带隙、多个方向带隙;Suzuki晶格声子晶体板带隙宽度随着板厚的增大而加宽,随着填充率的增大带隙宽度先增大后减小.     

二维内质量结构三角形晶格声子晶体的带隙研究

用集中参数模型理论研究具有内质量周期结构的二维三角形晶格声子晶体的带隙特性,设计了二维无限延伸的周期复合三角形晶格结构,通过理论及数值仿真发现改变质量和刚度可以人为调控带隙,最后与蜂窝状晶格的带隙进行对比.结果表明:晶体的色散曲线在频域上不连续,具有完全带隙的现象.晶体外部质量对带隙的影响最大,减小外部质量可得到较宽的带隙.此类结构中三角形晶格的带隙比六角蜂窝晶格的带隙少,但其带隙的宽度较宽,它为进一步带隙调控奠定良好的基础.     

填充率对一维二元声子晶体杆带隙的影响

对一维二元(金属-金属型、金属-非金属型、非金属-非金属型)3类声子晶体杆,选择相同的晶格常数0.06m,不同的材料和填充率对其带隙进行计算。结果显示:金属-金属型结构的禁带频率较高,带宽较窄;金属-非金属型结构的带隙频率虽高,但比金属-金属型结构的低,且禁带宽度很大,适宜应用于高频振动控制;非金属-非金属型结构的带隙频率非常低,适宜应用于低频振动控制;当只改变散射体的填充率时,对于一维二元金属-金属型声子晶体与金属-非金属型声子晶体,都会出现第1带隙带宽最大而第2带隙带宽最小的情况。总之,填充率变化对3类不同材料组合类型声子晶体的带隙调控作用明显。     

介质阻挡放电中一维等离子体光子晶体及其带隙特性

在双水电极大气压氩气介质阻挡放电中获得了一维可调等离子体光子晶体.通过类似于量子力学Kronig-Penney模型求解周期势的方法,求解Maxwell方程得到了一维等离子光子晶体的色散关系.结合实验数据,理论模拟了晶格常数、等离子体与介质的厚度比、电子密度等不同参数对等离子体光子晶体带隙的影响.结果表明:等离子体光子晶体晶格常数的增大导致能级位置降低,相速度减小;在相同的晶格常数下,等离子体填充比增大时,带隙位置将略有上升且光子带隙数目增加;当电子密度大于1020 m-3时,等离子体光子晶体具有显著禁带宽度.     

填充率对一维二元声子晶体杆带隙的影响

对一维二元(金属-金属型、金属-非金属型、非金属-非金属型)3类声子晶体杆,选择相同的晶格常数0.06m,不同的材料和填充率对其带隙进行计算。结果显示:金属-金属型结构的禁带频率较高,带宽较窄;金属-非金属型结构的带隙频率虽高,但比金属-金属型结构的低,且禁带宽度很大,适宜应用于高频振动控制;非金属-非金属型结构的带隙频率非常低,适宜应用于低频振动控制;当只改变散射体的填充率时,对于一维二元金属-金属型声子晶体与金属-非金属型声子晶体,都会出现第1带隙带宽最大而第2带隙带宽最小的情况。总之,填充率变化对3类不同材料组合类型声子晶体的带隙调控作用明显。
     

一维铝/非金属、花岗岩/非金属声子晶体的带隙特点

运用集中质量法计算了一维铝/非金属、花岗岩/非金属声子晶体的振动带隙。结果表明:在相同条件下,铝、花岗岩与同一非金属组合成的声子晶体带隙几乎相同,而弹性模量、泊松比对带隙结构几乎无影响,带隙主要由这两种材料的密度决定。     

二维正方点阵固态声子晶体带隙研究

声子晶体对声子晶体带结构的研究具有极大的理论和应用价值.介绍了用平面波展开法计算二维正方点阵的固态声子晶体带隙的方法,研究不同截面形状的散射物对晶体带隙的影响.当填充分数F<0.5时,圆形截面散射物体系比正方形截面及长方形截面的体系有利于带隙产生,而当F>0.5时,则正方形截面的体系更优越.     

矩形晶格结构对二维固-液体系声子晶体能带结构的影响

运用多重散射理论计算了二维铁-水声子晶体在不同矩形晶格和不同填充率情况下的能带结构,并详细研究了矩形晶格长宽比和填充率对禁带宽度的影响.     

正方空气柱结构二维三角晶格光子晶体及其禁带特征

基于平面波展开法比较研究了空气圆柱三角晶格光子晶体和正方介质柱三角晶格光子晶体的禁带特征,提出了正方空气柱三角晶格光子晶体结构,并分析了相对介电常数对其禁带宽度的影响.结果表明:空气圆柱三角晶格光子晶体要比由同种介质材料构成的正方介质柱三角晶格光子晶体的完全禁带要大得多;对于正方空气柱三角晶格光子晶体,当相对介电常数εr>12.0时将出现双禁带,且当εr=19.0时两条禁带均达到最大值.     

三维声子晶体带隙与散射体取向的关系

研究了散射体的取向对二组元三维声子晶体带结构的影响.应用平面波展开法计算了3种结构的三维声子晶体的带结构，结果表明：通过改变散射体的取向可以调节带隙大小，对于简立方和面心立方结构的声子晶体，最低带隙宽度随着散射体的旋转角的增加而减小，而对体心立方结构的声子晶体，最低带隙宽度随着散射体旋转角的增加而增加.     

基于多重散射理论的二维声子晶体带结构计算

二维固体结构声子晶体如平板、板壳在结构材料的减振、降噪方面有广泛的应用,研究二维固体结构声子晶体的禁带特性,对减振、降噪结构材料及声学滤波器的设计有重要的理论指导意义.用声子晶体带结构计算的多重散射理论,计算了二维碳一环氧树脂声子晶体的能带结构.结果表明,将波速较大的碳柱体按正方形周期排列放入到波速较小的环氧树脂中,在布里渊区两个主要方向上出现了完全禁带.     

一种双局域共振型压电声子晶体梁的带隙与振动衰减特性

通过在环氧树脂梁上周期性黏贴压电层,并连接含有两个分支的谐振分流电路,构建了含压电分流电路的声子晶体梁结构。使用传递矩阵法(TM)计算压电声子晶体梁的带隙特性,发现这种压电声子晶体梁结构可产生两个局域共振带隙,并且这两个局域共振带隙都可以通过改变电路参数来调节位置和带宽等,这就可以很方便的对两个频段的弹性波的传播进行控制。采用有限元仿真分析计算压电声子晶体梁的振动传输特性,仿真结果验证了理论分析的正确性。研究结果为压电智能型声子晶体的波传播控制提供了一种新的手段。     

二维粗锐结构声子晶体带结构的计算

提出二维粗锐结构声子晶体模型,采用平面波展开法数值计算了不同体积填充率下二维正方粗锐和圆粗锐结构声子晶体的带结构.计算结果表明,利用粗锐结构的散射体同样可获得较宽的完全带隙,正方粗锐和圆粗锐结构的声子晶体最大带隙分别出现在体积填充率为f=0.3136和f=0.3216处.