非轴对称五模超材料低频声波调控分析*

为实现轻质材料对低频声波的有效调控,在传统对称双锥五模超材料构型的基础上,以引入掺杂材料、飞镖型结构的方式构造了具有局域共振特性的非轴对称五模超材料单胞,通过能带分析发现其具有较宽的单模区域与低频性更优的声子禁带。此外还探究了飞镖结构节点圆半径、锥角和掺杂材料模量对能带结构与品质因数的影响。研究结果表明,单胞品质因数随着掺杂材料杨氏模量的提升而增大,单胞对低频声波的调控能力随着结构对称性的降低而变强。所设计的非轴对称单胞单模区域绝对带宽增大到原来的2.5倍,第一带隙相对带宽提升了57％。这为用于低频声波调控的五模超材料单胞构型设计提供了思路。     

各向异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数

五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构,具有类似流体的性质,在声波调控中有着潜在的应用.声学变换作为声波调控的一种重要手段,在超材料声学器件的设计中被广泛使用.声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料.因此,需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响.本文利用有限元方法,对各项异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数进行了研究.研究结果表明,三维非对称双锥五模超材料单模区域的相对带宽随着各向异性的增大而减小,第一带隙的相对带宽增大到123%,品质因数增大到6.9倍.本研究可为声学变换在三维非对称双锥五模超材料中的应用提供指导.     

可用于隔声和带隙调控的五模式超材料

为了利用在声学领域极具应用前景的双锥型五模式超材料进行隔声降噪,提出一种双锥宽直径不全同型五模式超材料.利用有限元方法分析了其声子能带结构、各波模相速度、品质因数随结构与材料参数的变化关系,在实用性和稳定性上与窄直径不同型五模式超材料作了比较.宽直径不全同型五模式超材料在保持原始五模式结构单模传输能带的前提下,还产生了更低频、宽带的三维完全带隙,且结构更稳定,重量更轻。双锥型五模式超材料在特定宽直径不同时具有三维完全带隙,品质因数主要由结构参数决定,各材料参数只是不同程度地影响带隙的绝对宽度和位置.研究结果表明双锥宽直径不全同型五模式超材料有望用于带隙调控和隔声。      

平板二维声子晶体声波能带结构研究

利用超元胞法,研究由钢板上生长有限长度的钢柱体形成的散射体嵌入环氧树脂基体中所构成的平板二维声子晶体的声波能带结构,分析散射体的几何参数如柱体的高、半径和板的厚度对声波带隙的影响。研究结果表明:(1)这种新型的声子晶体具有很宽的带隙,且带隙出现在低频范围内;(2)散射体的几何参数对带隙的宽度有很大的影响,它们是控制带隙宽度的主要因素。     

超材料型周期管路声传播特性及低频宽带控制

船舶管路系统噪声的低频宽带控制是船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。将超材料理论引入船舶管路系统的结构设计,构造了具有低频声波带隙的一维周期管路结构,并给出了周期管路声波带隙和声波透射系数的计算方法。计算结果表明,该周期管路同时存在声波布拉格带隙和局域共振带隙。在这两种带隙频率范围内,声波在系统中的传播将被衰减抑制。进一步发现,布拉格和局域共振带隙在一定条件会发生耦合,出现带隙耦合展宽现象,且两种带隙存在精确耦合条件。利用带隙耦合的展宽效应和低频设计,可实现声波在低频范围内的传播操控,从而达到船舶管路系统低频噪声宽带控制的目的。      

空芯光子带隙光纤纤芯-包层交界面的设计

利用平面波展开法计算了圆六边形空气孔按三角形排列的光子晶体带隙,基于带隙图设计了移去7根玻璃毛细管形成纤芯、传输波长λ=1.55 μm的空芯光子带隙光纤的结构参量.随后利用全矢量有限元法计算了所设计的在纤芯-包层交界面处引入石英环的光纤,给出了在不同半径情况下沿z轴方向的光强分布、光强等高线分布图和损耗随引入石英环相对厚度的变化曲线.得出了光纤消除表面模、减小损耗的纤芯外半径取值范围为1.55Λ～1.7Λ,石英环的相对厚度取值范围为1.3～1.5或3.4～3.8.通过分析发现石英环的引入既可以抑制表面模也可以激发表面模,抑制还是激发有赖于纤芯外半径和石英环厚度的选择.     

基于晶格效应的光子晶体带隙特性研究

对10种类型阿基米德晶格按不同晶格点阵进行分类,利用平面波展开法数值计算了光子晶体的能带结构,讨论归一化半径对其带隙的影响,比较了低频带隙相对宽度值.计算结果表明:单胞含多个"原子"的类正方晶格和类三角晶格光子晶体均存在TM模各向同性带隙和低频带隙,还容易产生TE模和TM模的完全带隙,进一步分析发现(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格打开TM模的低频第1带隙下边界值为最小;选择合适归一化半径分别为0.2和0.26,类正方晶格和类三角晶格光子晶体都能够得到较宽TM模低频带隙的最大值,(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格获得低频带隙为最宽.典型复式晶格空气环/硅光子晶体能够获得较宽的完全带隙.研究结果为设计新型光学器件提供了理论依据.     

含特异材料一维超导光子晶体的带隙特性研究

利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性. 研究表明, 这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙, 且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽. 但在一定的结构参数下, 这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙. 还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究. 关键词： 超导光子晶体 传输矩阵法 特异材料 光子带隙     

三角晶格磁振子晶体带结构的优化研究

用平面波展开法数值计算了椭圆柱散射体正三角排列的二维磁振子晶体带结构.结果显示,同样的填充率下,带隙的宽度和中心频率随着椭圆两半径之比s的变化出现明显的变化,椭圆柱散射体在三角晶格中可以打开低频带隙或使低频带隙加宽.     

新型负模量声学超结构的低频宽带机理研究

提出了一种具有负模量特性的新型声学超结构,并揭示了其低频带隙的形成及拓宽机理.通过理论推导给出了该新型结构的归一化有效模量表达式,由于有效模量的零值点与系统参数密切相关,可以调节合适的参数使得零值点降低或带隙下界降低,进一步实现低频带隙.理论结果表明,在一定的频率范围内,系统的弹性模量为负且负模量区域进一步拓宽,从而通过负模量区域的放大而拓宽带隙.这种新的实现低频带隙的方法克服了传统局域共振附加质量过大及惯性放大结构带隙较窄的缺点.同时,通过有限元法得到的周期结构的传输率随着结构参数的变化趋势与理论分析的变化趋势基本一致,并得到了约40—180 Hz的低频宽带.这种实现低频带隙的新思路对低频声波的控制具有很重要的理论指导意义.     

薄膜型声学超材料的结构设计与隔声特性*

为探讨薄膜型声学超材料用于汽车前围声学包、提高其中低频隔声能力的可行性,设计一种米字摆臂多质量块薄膜型声学超材料,构建其隔声分析有限元模型 ,分析其隔声特性及影响因素,开展结构优化及其在汽车前围声学包上的应用探索。研究表明,所设计的薄膜型声学超材料单胞在中低频区域具有较宽的隔声频带;增加薄膜上质量块半径或厚度会使传声损失曲线整体向低频区域移动,且质量块半径的增加还会拓宽高频区域的隔声频带;增加薄膜厚度或预应力会使传声损失曲线整体向高频区域移动;优化后的薄膜型声学超材料与钢板组合应用于汽车前围板,可明显提高其中低频隔声能力。     

五模声学超表面理论分析与定向反射声学仿真*

以广义斯奈尔定律为理论依据,对五模声学超表面定向反射的基本原理进行了解析推导和理论分析,获得了五模超表面的理想连续物性参数分布,并给出了五模超表面尺寸设计准则;然后将超表面离散,获得离散单胞的密度和体积模量,并以此为目标进行五模微结构设计,采用均匀化理论计算微结构的等效物性参数;最后,进行了水下声场的声波定向反射调控仿真实验,研究了入射波频率对超表面定向反射性能的影响,仿真结果展现了五模超表面宽频有效的声波调控能力以及调控的可靠性和准确性。本文的研究工作为五模声学超表面的设计和物理实现提供理论指导。     

原子质量对一维三原子链色散关系的影响

本文采用数值分析方法研究原胞中原子质量对一维三原子链色散关系的影响,建立了频谱宽度和频率禁带宽度随原子质量变化的基本规律.结果表明,在原胞内只有一个原子质量发生变化的情况下,声学波频谱宽度随任一原子质量的增加而减小,光学波的频谱宽度随小原子质量的增加而增大,随大原子质量的增加而减小;两个频率禁带均随小原子质量的增加而变...     

The band gap and transmission characteristics investigation of local resonant quaternary phononic crystals with periodic coating

In this article, the investigation of the Lamb wave propagation in two-dimensional phononic crystals (PCs) composed of an array of periodic coating on a thin plate is presented. Compared with the traditional PCs usually consist of cylindrical scatters with uniform coatings in their exterior structure, the newly exterior coating structures with periodic alternant arrangement of two different materials are proposed. The band structures are calculated using finite element method. We discover that a complete band gap can be exhibited at low frequency. Furthermore, for a finite PCs plate, the computed transmission and resonance spectra shown an evident resonance nature which can be directly related to formation of the low-frequency gaps. The effects of different material parameters and arrangement mode of coating on the acoustic energy transmission and attenuation are also studied. Finally, the experimental transmission spectrum of the periodic coating PCs are also presented and compared with the numerical results. This study will provide useful support to the design of tuning band gaps and isolators in the low-frequency range.     

Complete low-frequency bandgap in a two-dimensional phononic crystal with spindle-shaped inclusions

A two-dimensional phononic crystal(PC) structure possessing a relatively low frequency range of complete bandgap is presented. The structure is composed of periodic spindle-shaped plumbum inclusions in a rubber matrix which forms a square lattice. The dispersion relation, transmission spectrum and displacement field are studied using the finite element method in conjunction with the Bloch theorem. Numerical results show that the present PC structure can achieve a large complete bandgap in a relatively low frequency range compared with two inclusions of different materials, which is useful in low-frequency noise and vibration control and can be designed as a low frequency acoustic filter and waveguides. Moreover,the transmission spectrum and effective mass are evaluated to validate the obtained band structure. It is interesting to see that within the band gap the effective mass becomes negative, resulting in an imaginary wave speed and wave exponential attenuation. Finally, sensitivity analysis of the effect of geometrical parameters of the presented PC structure on the lowest bandgap is performed to investigate the variations of the bandgap width and frequency.     

介质柱型二维Triangular格子光子晶体的禁带特性

采用平面波展开法数值计算了空气背景中由圆形、正六边形和正方形介质柱构造的二维三角晶格光子晶体禁带结构,并研究了介质方柱旋转角度、介质折射率和填充比对完全光子禁带宽度的影响.结果表明,在低频区,介质方柱旋转17°时,出现最大完全光子禁带,且最大禁带宽度随介质折射率的变化较为稳定.在高频区,介质方柱旋转30°时,完全光子禁带宽度最大;且介质材料折射率n=2.2时即出现完全光子禁带,n=2.6时,完全光子禁带达到最大.     

圆柱形分层五模材料声学隐身衣的理论与数值分析

声学隐身衣物性参数分布的连续对制备造成了很大困难, 需要采用分层的方法进行近似. 研究分层对隐身衣性能的影响具有重要意义. 本文首先推导了圆柱形分层声学隐身衣散射声压场的理论解, 然后通过数值算例验证了理论推导的正确性, 最后针对层数、层厚分布对隐身衣性能的影响进行了计算研究. 结果表明, 选取恰当的层数和层厚分布可在不增加制备难度的同时改善隐身衣性能.     

二维光子晶体层状超晶格透射特性研究

把平面波展开法(Plane Wave Expansion Method,PWM)用于数值研究圆柱柱体粗细及折射率层状间隔构成的二维光子晶体超晶格的传输特性.数值结果表明,层状超晶格的透射谱中禁带宽度在柱体折射率相同时与粗细柱体半径差异成线性关系,半径相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.在半径相同时禁带宽度与层间折射率差异同样成线性关系,折射率相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.因此人们可以根据实际应用中的禁带需要利用上述各种可调因素进行调节.     

Quality enhancement and insertion loss reduction of a rectangular resonator by employing an ultra-wide band gap diamond phononic crystal

We report on an ‘in plane mode’ band gaps investigation of a novel diamond CRS (circle-rectangle-square) shaped holey phononic crystals in the desired operating frequency ranges. An ultra-wide band gap for diamond in the ‘in plane mode’ is observed. We also investigate an ultra-wide acoustic band gap for a finite one-dimensional (1D) diamond CRS phononic crystal (PnC) in the ‘out of plane mode’, and an ultra-wide acoustic band gap of a finite two-dimensional (2D) diamond CRS phononic crystal (PnC) in the ‘out of plane mode’ based on the FEA (Finite Element Analysis) method. We analyze that the transmission response of diamond in the length extension and width extension manner is more reasonable. Ultra-wide peak attenuations in the transmission spectra of a CRS shaped diamond phononic crystal successfully reveal the complete band gaps. The wide band gap of a CRS shaped diamond phononic crystal and the wide peak attenuation strongly agree in the same frequency region. It is analyzed that when a CRS-diamond phononic crystal is employed for MEMS resonators with different tether widths the quality Q of the resonators improved, and the energy losses decrease with extremely low insertion loss. In addition, it is observed that the vibrational displacement of a resonator is reduced by employing a diamond phononic crystal.