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.     

声子晶体板中低频完全禁带形成机理研究

针对固体基局域共振型声子晶体中难以出现100Hz以下的完全弹性波禁带问题,提出了一种新型声子晶体板,其结构由锥形复合散射体周期性阵列于一个二维二组元声子晶体板两边构成。采用有限元方法对其禁带特性和禁带形成机理进行理论研究,获得了声子晶体板中低频完全禁带的形成机理以及禁带调节规律。研究发现,不同形式的板波模态与对应的局域共振模态依据模态叠加原理相互耦合生成面内、面外两种禁带,二者叠加形成完全禁带;散射体振子的等效弹簧质量系统耦合是难以产生低频完全禁带的主要原因。研究结果表明:新型声子晶体板中散射体振子的等效弹簧质量系统可被引入的橡胶填充体解耦,致使面内、面外禁带分离;引入的锥形复合散射体可使相互分离的面内、面外禁带被同时单独调节至低频发生重叠,最终生成了一条频率范围为59~103Hz的低频完全禁带。研究结果和结论可将声子晶体应用于工程结构低频减振中。     

二组元声子晶体综合带隙算法及带隙参数规律研究

在研究声子晶体能带结构的算法方面,分别使用平面波展开法和时域有限元法对声子晶体的能带结构进行计算,并将两种算法得出的禁带结果进行对比研究。根据带隙图的差异分析说明了单一方法可能的不足,同时发现了计算结果最准确的区域是通过两种算法计算所得结果的重合区域,所以使用两种方法相结合的带隙算法,讨论了二组元材料参数和填充率对禁带的影响。研究发现散射体密度与基体的密度的比值越大,禁带的宽度就越宽,散射体相比于基体,对禁带的影响更大;增大填充率时禁带宽度变宽,大到一定程度时禁带宽度变窄。     

声子晶体板中低频宽禁带的形成机理

针对局域共振型声子晶体在低频处难以实现宽禁带的问题,提出了一种新型声子晶体结构并探究了声子晶体板中低频宽禁带的形成机理。该结构由互置型振子周期性阵列于一个二维二组元声子晶体板两边构成,采用有限元方法对其禁带特性和禁带形成机理进行理论研究发现:板波模式与振子的振动模式依据模态叠加原理,通过主导系统主模态的方式,影响着禁带的形成;当振子与基板二者主模态一致时,相互发生耦合,振子通过强烈抑制基板主模态,使的板内无波传播模式,进而形成面内、面外两种宽频子禁带;振子的振动模式是影响禁带宽度的决定因素,当其为整体振动模式时,对基板主模态的抑制作用最大,形成宽频禁带。仿真结果表明:新型声子晶体板中振子的振动模式被引入的互置型振子调节,致使振子出现了两种整体振动模式;两种整体振动模式分别对面内和面外子禁带进行单独调节,进而使禁带在大致相同的低频范围内被同时扩宽,最终重叠生成了一条带宽为599Hz的宽禁带。该研究突破了局域共振型声子晶体在低频处难以形成宽禁带的局限,可为声子晶体在工程结构低宽频减振中的应用提供理论基础和方法指导。     

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。     

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。
     

转移矩阵方法与一维声子晶体的带结构

声子同物质（比如液体、气体或细长竿等）相互作用可以归结为声子在不同＂声阻抗＂场中运动。所谓声子晶体就是物质的声阻抗周期变化的晶体。当声子在这种介质中运动时,它的能量（频率）将分裂成带。利用转移矩阵方法分析了声阻抗呈阶跃型分布的一维声子晶体带结构,讨论了系统的稳定性、禁带宽度。结果表明,材料的禁带特征与它的参数有关,只需适当选择介质或适当调节介质参数就可以得到不同声学性质的声子晶体。     

一维准周期结构声子晶体带隙特性的研究

提出一种层厚递变式一维准周期结构声子晶体模型,数值计算了弹性波通过该一维准周期结构声子晶体的透射系数,并与周期结构声子晶体的透射系数进行了比较.计算发现,利用准周期排列的特殊结构可以有效地调节声子晶体的带隙宽度和所在的频率范围.     

弹性波与周期介质相互作用及声子晶体研究现状

声子晶体是一种新型的声学功能材料,对声子晶体的研究引起了人们极大关注。介绍了国内外声子晶体的研究状况,分析了声子晶体研究中存在的问题,阐述了声子晶体的某些概念、特征和基本研究方法,强调了由于禁带和缺陷态的存在可以有效地控制周期介质中声波的传播,讨论了声子晶体研究的未来发展方向．     

分析材料参数对二维固/固声子晶体能带结构的影响

应用平面波展开法(PWE)分析了材料参数对二维固/固声子晶体能带结构的影响,发现散射体的剪切模量和密度是影响声子晶体能带结构的主要因素,杨氏模量对声子晶体能带结构的影响极小.当散射体的剪切模量小于基体时,声子晶体出现了多条带隙;反之声子晶体的带隙在填充率较大时出现,且与基体的剪切模量差值越大,声子晶体的带隙越宽.当散射体的密度小于基体时,只有在填充率较大时出现带隙且极窄;反之,声子晶体出现了多条带隙.继而采用钨、铍、碳、硅四种材料设计二维声子晶体,计算结果与上述推论颇为吻合,这为设计声子晶体在选材方面提供了理论依据.