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.     

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.     

二维椭圆柱散射体声子晶体带结构的计算

采用平面波展开法数值计算了二维椭圆柱散射体声子晶体的带结构,并与圆柱散射体声子晶体的带结构进行比较,发现利用椭圆柱散射体可以获得较大的声子带隙.     

密度对声子晶体带隙的影响

从弹性波动方程出发,利用平面波展开法计算二维（三维）声子晶体的带结构,研究散射体与基体的密度比对最低带隙的影响,得出了最低带隙宽度和带隙边界随密度比的变化规律.数值计算结果显示随着密度比的增加,带隙下边界的频率降低,而上边界的频率升高,从而增加带隙宽度,且带隙能级不变.     

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.     

声表面波声子晶体中的能带结构及带隙类型

声表面波声子晶体对于实现声表面波的精确操控有着非常重要的应用价值.针对两大类最为主要的声表面波声子晶体的结构类型,即:"凹陷"孔洞阵列型和"凸起"柱体阵列型,采用三维有限元方法,数值计算并获得了基于压电铌酸锂基底的声表面波声子晶体的能带结构,同时验证了声子晶体中所具有的声表面波带隙,并进一步分析了这两大类声表面波声子晶体中的各种本征模式所呈现的特征.结果表明,在这两大类声表面波声子晶体中,均可以存在由于带边布拉格散射导致的声表面波的部分(方向)带隙甚至全(方向)带隙;在"凸起"型声表面波声子晶体中,更是存在由于"凸起"结构中的局域共振而导致的局域共振带隙.局域共振带隙的频率可以远小于布拉格带隙所具有的频率,同时,其频率范围仅由局域共振体本身的几何形貌及声学参数决定,而与声子晶体整体的晶格常数或对称性无关.     

挖孔对散射体形状为圆柱的二维液体-液体声子晶体带隙的影响

介绍了用平面波展开法计算二维正方形以及三角形排列,散射体为海水,散射体截面为环形,基质为汞的声子晶体。为了研究带隙的规律,固定了挖空的内圆半径为（0,1/12,1/13,1/14,1/15,1/16）。同时通过改变填充率来研究带隙的规律。结果发现当在实心的圆柱散射体上挖孔,最低带隙会在一些填充率下消失。     

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。     

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.     

散射体尺寸对声子晶体结构式超声塑料焊接系统振动性能的影响

基于声子晶体的带隙理论以及耦合振动理论,对大尺寸矩形超声塑料焊接系统的耦合振动性能以及横向振动抑制进行研究。通过设计不同尺寸的散射体,改变散射体空气层的尺寸,得到系统的纵向共振频率、工具头的横向振动带隙及工具头辐射面位移分布与散射体宽度及高度间的关系。结果表明:通过合理设计类声子晶体结构式工具头中散射体的尺寸,能够使不同工作频率下系统工具头的横向振动得到有效抑制,同时使焊接工具辐射面纵向振动位移增大且均匀,保证了焊接系统的高效运行。     

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。
     

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。     

一维花岗岩/丁腈橡胶声子晶体的带隙及其应用

 采用集中质量法计算了一维花岗岩/丁腈橡胶声子晶体的振动带隙,研究了集中质量数、晶格常数、组分比及丁腈橡胶的粘弹性对带隙的影响.结果表明,增加集中质量数能提高带隙精度,晶格常数及组分比对带隙结构有较大影响,而丁腈橡胶的粘弹性能增大带隙宽度.根据以上结论,对声子晶体的材料参数和结构参数进行了优化,设计出1种能屏蔽人耳最敏感的1.5~2.5 kHz噪声的一维声子晶体.     

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.     

声波在声子带隙材料中的传输

研究了声波在二维声子带隙材料中的传输特性，把声子带隙材料作为一个散射体进行处理．在远场近似下(kr≥1)，计算了声波在有限范围内声子带隙材料中的传输系数，得到了与带结构符合很好的计算结果，     

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.     

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.     

平移群对称性对声子带隙的调节作用

元胞的平面波展开法,计算了由水正四棱柱体按正方格子排列于水银基体中所组成的声子晶体的带结构。通过只旋转对角的方柱体来改变声子晶体的平移群对称性,结果发现,具有很好的调节声学带隙的作用。本文工作表明,声子晶体的平移群对称性对于其带隙的形成具有重要影响,同时,超元胞方法也是研究声子晶体平移群对称性影响声子带隙形成的一种有效方法。     

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。