镜像对称准周期固/液声子晶体的传输特性

以准周期Fibonacci序列为基础,构建了准周期镜像对称结构的一维固液介质声子晶体。利用转移矩阵法,研究了弹性波在所构建的声子晶体中的透射特性。结果表明:弹性波正入射时,转移矩阵与变介质的特性阻抗有关,由于声子晶体结构的局域失谐,在透射谱的中心频率附近对称出现谐振模;对于Q7序列的声子晶体,带隙内谐振模带宽小于10Hz,能实现超窄带声滤波;弹性波斜入射时,带隙向高频区移动;入射角为5°时,谐振模也向高频移动;入射角为10°时,由于谐振的增强,声子晶体结构对频率的选择性提高,使带隙内的谐振模消失。     

固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的缺陷模

为了研究弹性波在固-固掺杂结构声子晶体中缺陷模的特性,推导出弹性波斜入射固-固掺杂结构声子晶体的转移矩阵。利用它计算了固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的透射系数,得到由于掺杂在禁带的中间出现了多条缺陷模透射峰带,缺陷模透射峰带随杂质厚度的变化呈周期性地出现,在同一缺陷模透射峰带上缺陷模的频率随杂质厚度增加近似呈线性减少。缺陷模的这些特征可以作为设计声子晶体滤波器的理论依据。     

方形固-液声子晶体的全反射隧穿及其多通道滤波

为了研究一维固-液结构方形声子晶体中弹性波的全反射隧穿效应,利用传输矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维固-液结构方形声子晶体的透射率。在透射波中发现了全反射隧穿效应,并且全反射隧穿峰具有优良的多通道滤波特性。得出了一维固-液结构声子晶体的全反射隧穿的滤波特性随周期数、模式量子数、边长的变化规律。为设计性能优良的多通道声子晶体滤波器提供了理论依据。     

新型声子晶体全反射贯穿效应的滤波特性

利用转移矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维声子晶体的透射率,结果发现：在入射角岛为0．33rad、0．4rad、0．9rad、1．3rad附近都出现了明显的透射峰带,即在透射波中出现了全反射贯穿效应;其中在0．4rad附近的这个透射峰带的频率范围小、峰值细密,可以利用它来实现多通道滤波。同时研究了贯穿效应随介质厚度和周期数的变化特征,发现贯穿效应具有优良的滤波特性。利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的新型一维声子晶体的滤波器。     

弹性波斜入射声子晶体的传输特性

引入四维波矢的概念,推导出弹性波斜入射到多层介质系统的转移矩阵以及透射系数和反射系数公式.利用这些公式计算了横波和纵波斜入射一维声子晶体时横渡和纵波的透射系数,得出横波斜入射,透射波中的横波和纵波在一定频率范围内都会出现禁带,纵波斜入射时也有类似的结果.透射波中横波与纵波的相互转型随着入射角的增大而越加明显.     

固-液圆柱掺杂声子晶体中弹性波的缺陷模

利用一维固-液圆柱形掺杂声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导出弹性波在一维固-液圆柱形掺杂声子晶体中各种模式满足的关系式,研究了各种模式弹性波的特性。利用转移矩阵计算出弹性波的缺陷模随模式量子数以及圆柱半径的变化规律,得到了一些一维固-液结构圆柱形掺杂声子晶体缺陷模的新特征。研究结果表明,缺陷模的频率和半高宽均与模式量子数和圆柱半径有关。     

正负折射率的一维圆形受限光子晶体特性研究

对正负折射率材料构成的一维光子晶体,在横向圆形受限的条件下,推出了光波在其中传播时模式所满足的条件,并利用特征矩阵法研究了正负折射率绝对值相同时,光波在不同模式和不同介质厚度可见光能实现透射波和零反射。正负折射率绝对值不等时,得出介质厚度为半波长时透射波出现在中心波长处;随着模式数即入射角增大,透射波曲线向短波方向移动;介质折射率差的绝对值越大、周期数增加都使透射波谱宽度变窄。     

一维磁电弹准周期结构带隙特性的研究

采用传递矩阵方法,研究了横波(SV波)垂直入射时压电/（弹性/压磁）和（压电/弹性）/压磁两种Fibonacci准周期结构的频带特性,通过计算局部化因子和位移透射系数,数值揭示了此两种Fibonacci准周期结构频带特性的差异以及与相应理想周期结构频带特性的不同,而且表明（压电/弹性）/压磁Fibonacci准周期结构的频带特性与纯弹性材料Fibonacci准周期结构的频带特性是相似的。     

低频弹性波超材料的若干进展

超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料, 能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性. 因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力, 超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮. 弹性波超材料是超材料的一种, 能够基于弹性波与超材料结构的相互耦合作用实现对弹性波的操控. 带隙是评估弹性波超材料实现弹性波操控的重要工具, 其性质与超材料的材料参数、晶格常数以及局域振子的固有频率相关. 受制于超材料的承载能力、外观尺寸以及局域振子结构等因素, 利用传统超材料开启低频(约100 Hz)弹性波带隙依然存在较大困难. 文章首先简要介绍超材料开启弹性波带隙的基本原理, 然后从低频弹性波超材料基本结构与低频带隙实现方法、低频带隙优化与调控策略、低频带隙潜在应用等三个方面详细总结低频弹性波超材料的研究工作. 其中, 低频带隙超材料的基本结构主要包括布拉格散射型超材料、传统局域共振型超材料以及准零刚度局域共振超材料. 文章通过总结低频弹性波超材料的研究进展, 分析了目前研究中的不足并对未来低频弹性波的研究方向进行了展望.      

爆炸驱动固/液介质爆炸抛撒的实验研究

针对爆炸驱动固/液介质抛撒混合过程设计了透明双层抛撒装置。采用高速运动分析系统记录抛撒装置壳体破碎和固/液界面、固/液介质抛撒形态的演变过程,结果表明:壳体裂纹的产生和断裂首先出现在轴向方向;固/液界面在外层壳体破碎之前清晰可见,表明固/液介质的混合主要发生在壳体破碎之后;导爆索驱动下呈现滑移爆轰驱力特征,介质抛撒形状呈倒圆台形,不同截面处的介质运动速度随截面到起爆端轴向距离的增大而减小。     

近场波动模拟的一种应力人工边界

采用平面波和远场散射波混合透射，引入无限介质线弹性本构关系建立了一种应力人工 边界条件. 其优点在于边界结点反应与内部有限元结点反应采用相同的积分格式计算，有限 元积分方法稳定时不存在人工边界失稳问题. 数值算例表明：边界精度高于现有黏性边 界、黏弹性人工边界，以及一、二阶透射人工边界.     

声子晶体L型波导高透射率拐角的设计

针对波导拐角处的透射及其能量损耗问题,本文设计了5种不同的拐角,应用在钢-水组分和铝-空气组分的声子晶体L型波导中;采用有限元方法,计算两种系统在不同频率范围内的透射率,并分析了带隙内缺陷态透射峰的振幅分布图。结果表明:采用直角形拐角,透射明显减弱;采用折线型拐角可以增强带隙内缺陷模的透射峰,也会产生新的带隙;采用环状弧形拐角,带隙内缺陷模的透射最强,且没有产生新的带隙。     

关于周期应力平面弹性基本问题

本文考虑了一般的平面弹性同题,只假定应力是周期的而且有界.除此之外,无论对一个周期带中所含孔的个数或其边界的形状以及对孔边或无穷远处的应力,都不作其他限制.文中把函数的多值部分与非周期部分分离出来,得到了它们的一般表达式;证明了这时位移必定是准周期的,并指出了第一、第二基本问题的一般提法.对于有周期直线裂缝(在与周期方向平行的一直线上)的情况,本文利用周期Riemann边值问题的解法作出了解答;并对一个周期带中只有一个裂缝的特殊情况,把解写成了完全确定的有限形式.     

基于显式有限元方法的两相多孔介质地震反应研究

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相多孔介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行了计算和分析,以揭示两相多孔介质弹性地震反应的规律和性质.计算结果表明:两相介质弹性地震反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性地震反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻.本文的数值计算同时表明了时域显式有限元方法在进行两相多孔介质地震反应计算分析时的有效性.     

含单排周期微裂纹平板结构中的弹性波传播

受损伤固体中含有的微裂纹或微孔洞往往具有周期性，对含周期性缺陷结构中的弹性波分析是力学研究中的重要课题，它直接关系到结构的强度和使用寿命。目前对损伤固体中弹性波散射与透射研究结果主要是弹性动力学平面问题。1995年。Scarpetta和Sumbatyan采用解析法研究了平面波在双周期裂纹弹性介质中的传播问题。并推出显式分析结果。本文基于弹性动力学理论，分析研究了含有单排横向周期裂纹的平板中弯曲波的反射与透射问题。给出了含单排裂纹时反射波与透射波系数的数值结果。对于多排裂纹情况，可采用具有退化核第一类Fredholm积分方程方法分析求解，在求解中给出相应的无量纲数，例如无量纲波数、裂纹尺寸比等。本文分析结果可望能在工程振动控制中应用。     

复合三角柱光子晶体传输特性研究

应用平面波展开法研究了二维复合介质柱光子晶体中引入缺陷和改变其折射率对传输特性的影响,得到了不同尺寸和介电常数下的透射谱,并与无复合介质柱光子晶体的结果进行了比较。结果表明：复合柱越细,禁带越宽,中心频率越高,变化关系与无复合柱的结果相反;复合柱折射率越大,禁带越窄,中心频率越低,与无复合柱的结果相同。     

复合材料周期结构数学均匀化方法的一种新型单胞边界条件

数学均匀化方法是计算周期复合材料结构的有效方法之一,单胞边界条件施加的合理性直接决定了影响函数控制方程的计算效率和精度,进而影响均匀化弹性参数和摄动位移的计算精度.本文首先将单胞影响函数作为虚拟位移处理,给出了单胞在结构中真实的边界条件,结果表明,四边固支适合作为二维结构单胞边界条件;其次,针对二维结构提出了超单胞周期边界条件,有效提高了影响函数的计算精度,并使用与虚拟位移相对应的虚拟势能泛函验证超单胞周期边界条件的有效性;最后,利用数值分析验证多尺度渐进展开方法的计算精度,强调了二阶摄动的必要性.     

谱分裂对集成光学陀螺灵敏度影响

为寻求谐振式集成光学陀螺可实现灵敏度的优化,基于调频光谱原理,应用双频率组合调制的闭环控制结构,在对通过陀螺核心敏感器件谐振腔的结构参数优化、调制频率选择等措施实现决定于谐振腔谐振特性一阶微分最大值的最佳灵敏度情形的理论分析基础上,研究了谐振峰分裂对陀螺灵敏度的影响。相关实验表明,对于给定结构的谐振式集成光学陀螺,理论上的最佳参数,并不能保证理论最佳灵敏度的实现。通过双频率组合调制下无源环形谐振腔谐振特性的测量,发现了谐振腔谐振峰分裂现象,分裂程度随腔长增加而趋明显;谐振峰的分裂,导致透射谱展宽;透射谱展宽后一阶微分谱最大值的下降,将使陀螺灵敏度随之劣化。为应对这种劣化,需要对系统调制频率进行相应调整,并控制腔长,以抑制峰分裂程度,进而控制对陀螺灵敏度的影响。     

双介质耦合刚性基弹性层平面应变型导波模式及界面散射能量分配

过渡段动力稳定性问题已成为制约400 km/h及以上高铁路基设计的关键难题,亟需从波动和能量的角度探究由基础非均匀引发的线路系统动力响应放大机理.文章将轨下基础简化为上表面自由、底端固定的刚性基弹性层,将高铁过渡段车致弹性波传播问题提炼为非均匀介质刚性基弹性层中波的散射问题,建立双介质耦合刚性基弹性层平面应变模型,优化该类波导结构频散方程在复平面求根方法,并结合岩土类介质特征展开刚性基弹性层频散分析,以明确其多模式导波特性及散射能量分配,最后,围绕弹性层厚度、刚度比等影响因素开展对比分析.结果表明:刚性基弹性层各模式导波均具有截止频率,弹性层厚度越小,杨氏模量越大,各阶导波模式的截止频率越高;入射波在双介质刚性基弹性层发生散射后,透射场基阶模式导波会占据主体能量,随着高阶导波模式被逐一激发,反射场及透射场高阶模式能量占比会在全频率范围呈现“此消彼长”状态;交换两侧弹性层材料,改变弹性层厚度及两弹性层刚度比不会显著改变能量分布规律,但总体来看,能量更易集中在较软侧弹性层中,各模式导波在激发初始频段会更为活跃,可分配到更多能量.     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.