固-固有限周期声子晶体中SH波全反射隧穿的机理

利用边界条件推导出SH波在一维固-固有限周期声子晶体中的转移矩阵,并用倏逝波的概念和多波束干涉理论,从理论上解释了一维固-固有限周期声子晶体全反射隧穿效应产生的物理机理,得出了全反射隧穿峰带波长满足的解析公式。利用解析公式和转移矩阵研究了一维固-固有限周期声子晶体中SH波的全反射隧穿效应,结果发现两种方法得出的结论是吻合的。     

固-固有限周期声子晶体中SH波全反射隧穿的机理

利用边界条件推导出SH波在一维固-固有限周期声子晶体中的转移矩阵,并用倏逝波的概念和多波束干涉理论,从理论上解释了一维固-固有限周期声子晶体全反射隧穿效应产生的物理机理,得出了全反射隧穿峰带波长满足的解析公式。利用解析公式和转移矩阵研究了一维固-固有限周期声子晶体中SH波的全反射隧穿效应,结果发现两种方法得出的结论是吻合的。     

声子晶体中SH波缺陷模的相干叠加理论

利用波的相干叠加原理推导出一维掺杂声子晶体中SH波缺陷模的透射率公式和频率公式,即建立了缺陷模的相干叠加法。将相干叠加法与转移矩阵法和共振理论进行了比较研究,结果表明缺陷模的相干叠加法具备转移矩阵法和共振理论各自的优点,又克服了转移矩阵法和共振理论各自的不足。相干叠加法是研究一维掺杂声子晶体中SH波缺陷模的一种更有效的方法。     

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。     

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。     

一维声子晶体中声波能带的解析研究

为了对一维声子晶体的能带进行解析研究,采用一维声子晶体的色散法,推导出一维声子晶体禁带频率和通带频率的解析公式;并利用此式对一维声子晶体的能带结构进行了解析研究,得到了禁带和导带的频率中心、频率宽度分别随介质厚度和声阻抗两者的变化规律,并与转移矩阵方法的计算结果进行了比较.研究结果表明:两种方法得到的结论相同,但解析法能更准确、更深刻地反映出一维声子晶体的能带随介质厚度和声阻抗等因素的变化规律;并且解析法克服了转移矩阵法等其他方法不能对能带结构进行解析研究的不足,是一种研究一维声子晶体能带更有效的方法.     

一维固液介质准周期结构声子晶体的传输特性

针对一维固液介质的Fibonacci序列准周期声子晶体,利用传输矩阵法研究了弹性纵波在准周期结构中的透射特性。计算结果表明：准周期结构具有比周期结构更宽的禁带,并伴随带边谐振;序列越高,带边谐振越强,并在较低序列的禁带中心出现谐振模;弹性波以0.1rad斜入射时,透射谱向高频方向移动;当固液介质波阻抗接近时,出现等间距的谐振模,同时禁带消失。     

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。     

一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的机理研究

建立了一维固-液掺杂声子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出了缺陷模频率满足的解析公式,从理论上解释了产生一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的物理机理.利用频率的解析公式研究了缺陷模的频率随入射角、杂质厚度、杂质波速的变化规律.结果表明:缺陷模的频率随入射角和杂质波速的增加而增加,缺陷模的频率随杂质厚度的增加而减少,圆满地解释了一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的变化规律.在此基础上并与转移矩阵法的计算结果进行了比较,其结果吻合.     

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.     

Folding beam-type piezoelectric phononic crystal with low-frequency and broad band gap

A folding beam-type piezoelectric phononic crystal model is proposed to isolate vibration. Two piezoelectric bimorphs are joined by two masses as a folding structure to comprise each unit cell of the piezoelectric phononic crystal. Each bimorph is connected independently by a resistive-inductive resonant shunting circuit. The folding structure extends the propagation path of elastic waves, while its structure size remains quite small. Propagation of coupled extension-flexural elastic waves is studied by the classical laminated beam theory and transfer matrix method. The theoretical model is further verified with the finite element method(FEM). The effects of geometrical and circuit parameters on the band gaps are analyzed. With only 4 unit cells, the folding beam-type piezoelectric phononic crystal generates two Bragg band gaps of 369 Hz to1 687 Hz and 2 127 Hz to 4 000 Hz. In addition, between these two Bragg band gaps, a locally resonant band gap is induced by resonant shunting circuits. Appropriate circuit parameters are used to join these two Bragg band gaps by the locally resonant band gap.Thus, a low-frequency and broad band gap of 369 Hz to 4 000 Hz is obtained.     

基于多重多级子结构声子能带与传输特性分析

基于多重多级子结构方法提出一种快速的声子晶体能带与传输特性的计算策略. 主要思想是将声子晶体划分成多层级子结构有限元模型,在能带计算中采用静凝聚和子结构周游树技术将子结构的内部刚度阵凝聚到Bloch 边界上. 由于内部刚度阵并不随着简约波矢变化,所以这种计算策略可以大大降低求解规模并提高计算效率,并不对整体有限元模型引入近似. 在传输特性计算中同样采用该策略,由于声子晶体单胞具有周期性,所以各个单胞的系数矩阵是相同的,从而减少计算量,并且可以灵活地选择是否回代求解单胞内部自由度. 数值算例以三维局域共振型声子晶体和二维Bragg 散射型声子晶体为例,计算结果验证了这种求解策略的正确性和高效性,并适用于复杂声子晶体分析.      

BAND STRUCTURE AND TRANSMISSION CHARACTERISTICS CALCULATION OF PHONONIC CRYSTALS BASED ON MULTI-LEVEL SUBSTRUCTURE TECHNIQUE

基于多重多级子结构方法提出一种快速的声子晶体能带与传输特性的计算策略. 主要思想是将声子晶体划分成多层级子结构有限元模型,在能带计算中采用静凝聚和子结构周游树技术将子结构的内部刚度阵凝聚到Bloch 边界上. 由于内部刚度阵并不随着简约波矢变化,所以这种计算策略可以大大降低求解规模并提高计算效率,并不对整体有限元模型引入近似. 在传输特性计算中同样采用该策略,由于声子晶体单胞具有周期性,所以各个单胞的系数矩阵是相同的,从而减少计算量,并且可以灵活地选择是否回代求解单胞内部自由度. 数值算例以三维局域共振型声子晶体和二维Bragg 散射型声子晶体为例,计算结果验证了这种求解策略的正确性和高效性,并适用于复杂声子晶体分析.     

局域共振型声子晶体板缺陷态带隙及其俘能特性研究

设计了一种由圆柱形散射体嵌入环氧树脂基体而组成的周期阵列局域共振型声子晶体板结构, 分析了其平直带区域以及缺陷态的能量集中特性, 并研究了其振动能量采集特性. 首先基于超元胞法结合有限元方法分析了5 $\times$ 5完美声子晶体结构和缺陷态声子晶体结构的能带曲线和能量传输特性; 考虑点缺陷局域共振声子晶体结构的能量集中特性, 利用压电材料代替超元胞中某点的散射体材料引入点缺陷, 分析其振动能量采集特性, 结果表明单个5 $\times$ 5点缺陷超胞结构共振频带较窄; 为提升俘能效率, 提出两种由3个具有不同缺陷态数量和构型的5 $\times$ 5超元胞结构并联而成的5 $\times$ 15声子晶体板结构, 机电耦合特性分析结果表明: 所提出的局域共振型声子晶体板结构克服了单个点缺陷超胞结构缺陷模过少、共振频带过窄的局限性, 拓宽了俘能器的工作频带, 提高了输出电压; 此外, 引入不同的缺陷态数量和构型, 可以进一步拓宽俘能带宽, 实现更好的俘能效果.      

Nonlocal coupled thermoelastic wave propagation band structures of nano-scale phononic crystal beams based on GN theory with energy dissipation: An analytical solution

This paper deals with the band structures of thermoelastic waves in nano-scale phononic crystal or metamaterial beams considering nano-size effects. The nonlocal coupled thermoelastic governing equations are derived using the Green–Naghdi theory of the generalized coupled thermoelasticity with energy dissipation and Eringen’s nonlocal theory. The derived governing equations are analytically solved and the field quantities including the temperature and the deflection are obtained in the closed forms. Using the proposed analytical solution, the transfer matrix between two unit-cells are obtained using the thermal and mechanical continuity conditions on the interfaces between the unit-cells and between the two sections of each unit-cell. The band structures of the phononic crystals are obtained using the Bloch–Floquet theorem. The detailed discussions are presented for the band structures of nonlocal thermoelastic waves in nano-scale aluminum/epoxy phononic crystal or metamaterial beams. Also, the effects of the small-scale parameter and the thickness of the epoxy layers on the band structures are studied and discussed by using the derived analytical solution.     

SH波在局部非均匀声子晶体中的传播

使用传输矩阵法,研究了水平剪切波(SH波)在一维局部材料非均匀声子晶体中的传播。首先使用皮亚诺方程给出了SH波在特定非均匀梯度介质声场的传输矩阵。然后使用传输矩阵和布洛赫定律给出了该声子晶体的禁带结构和传输系数。通过具体计算,发现这种非均匀性能明显影响声子晶体的频散曲线和禁带结构。然后比较了幂指数取不同值时,禁带结构与归一化频率和填充比的关系。发现幂指数不同,声子晶体的禁带不同。