固/固型二维正方晶格声子晶体缺陷态研究*

固/固型声子晶体在抑制噪音和隔离振动等工程领域有着潜在的应用。利用有限元方法对存在缺陷的二维正方晶格金/环氧树脂声子晶体进行了研究,数值计算结果表明弹性波在点缺陷处局域,带隙中出现多条缺陷模,点缺陷数目的增加对声子晶体局域特性产生显著影响;弹性波沿着线缺陷传播形成波导,改变线缺陷结构可以改变弹性波传播方向和实现信号的分离。对声子晶体缺陷特性的研究可为声学滤波器和波导等器件的设计提供参考。     

点缺陷阵列对声子晶体波导定向辐射性能的影响

将点缺陷阵列应用于声子晶体波导,提出一种具有高定向辐射性能的复合声子晶体波导. 基于有限元法的数值分析表明,附加到声子晶体波导表面的点缺陷阵列可激发出作为次级声源的谐振模. 谐振模辐射的声波与波导出射端口直接辐射的声波相互干涉,可以使声子晶体波导的法向辐射声压提高161.21%、发散角减小85.35%. 当点缺陷的数目增大到一定程度后,波导的定向辐射性能不再有明显的改善. 该研究为改善波导的定向辐射性能提供了一种新方法. 关键词： 声子晶体波导 点缺陷 谐振模 定向辐射     

一维亥姆霍兹共振腔声子晶体中缺陷模式的实验研究

基于亥姆霍兹共振腔单元设计并制作了一种一维局域共振型声子晶体, 针对结构中存在点缺陷的情况, 进行了实验研究. 实验结果表明, 由于点缺陷的存在, 局域共振型声禁带中出现了缺陷模式, 并且在缺陷单元周围引起了能量的局域现象, 与理论结果符合较好. 缺陷单元从两个不同的方向趋近于完美单元时, 缺陷模式分别按照不同的规律变化, 但是越靠近禁带边缘, 所局域的能量就越多. 另外, 当缺陷单元共振频率小于完美单元共振频率时, 局域能量主要集中在声波导内; 反之, 局域能量则主要集中在共振腔内. 本研究对设计新型低频声滤波装置及高声强集中装置具有一定意义. 关键词： 亥姆霍兹共振腔 声子晶体 缺陷模式 能量局域化     

三组元声子晶体中的缺陷态

运用基于平面波的超元胞方法，研究作为缺陷引入的第三组元材料(四氯化碳、水)对二维二组元声子晶体(水/水银，四氯化碳/水银)带结构的影响.结果表明，二组元声子晶体在引入第三组元点缺陷/线缺陷后，在原来的带结构中会出现缺陷态/带，原带隙的位置、宽度变化不大；缺陷态/带频率主要受第三组元材料物性参数的影响；这些缺陷态都是局域化的.因此，在具有宽带隙的二组元体系中引入适当的第三组元点缺陷/线缺陷，让缺陷态/带频率落在二组元体系的带隙中，就可以形成特殊的滤声态/波导态.声子晶体的这一特性对于声波/弹性波的传播和新的声学应用具有重要意义. 关键词： 声子晶体 三组元 点缺陷 线缺陷     

局域共振复合单元声子晶体结构的低频带隙特性研究

本文提出了一种新型局域共振复合单元声子晶体结构, 并结合有限元方法对结构的带隙机理及低频共振带隙特性进行了分析和研究. 共振带隙产生的频率位置由所对应的局域共振模态的固有频率决定, 并且带隙宽度与局域共振模态的品质因子及其与基体之间的耦合作用强度有关. 采用局域共振复合单元结构可以实现声子晶体的多重共振, 在低频范围能打开多条共振带隙, 但受到共振单元排列方式的的影响. 由于纵向和横向局域共振模态的简并, 复合单元结构能在200 Hz以下的低频范围打开超过60%宽度的共振带隙, 最低带隙频率低至18 Hz. 这为声子晶体结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法. 关键词： 局域共振 低频带隙 复合单元 声子晶体     

声波在二维固/流声子晶体中的禁带特性研究

采用时域有限差分法(FDTD),分析了声波在二维四方点阵铝/空气组合声子晶体中的禁带特性,并利用实验测试验证了理论分析的正确性.在此基础上研究了两种不同声阻抗率比固(实心圆柱和空心圆管)/流系统声子晶体的禁带特性.对于实心圆柱体,分析了有限尺寸结构声子晶体在传播方向上的层数对声波传播特性的影响,得到了这两种系统在不同填充率下取得最大声波禁带宽度所需的最少层数.同时指出,在低声阻抗率比条件下,对于空心圆管填充物,通过选取适当的半径比,可以获得比实心柱体更宽的方向带隙.     

弹性波通过一维复合材料系统的透射性质

提出了不同结构的一维弹性波复合材料系统模型,包括一维周期结构声子晶体、标准Fibonacci准周期结构声子晶体、广义Fibonacci准周期结构声子晶体以及完全无序结构的复合材料系统. 采用模式匹配理论法,数值计算了弹性波通过一维复合材料系统的透射系数. 计算结果表明,利用特殊的准周期结构声子晶体可获得比周期结构声子晶体更宽的带隙范围,准周期结构排列的复合材料系统相当于在周期结构中引入了缺陷体一样,带隙内出现了丰富的局域模式. 对弹性波/声波在复合材料系统中局域态性质的研究有助于弹性波/声波滤波器、导波器 关键词： 弹性波复合材料 局域化     

广义Fibonacci准周期结构声子晶体透射性质的研究

提出了一维广义Fibonacci准周期结构的声子晶体模型. 对弹性波通过该一维准周期结构声子晶体的透射系数进行数值计算,并与周期结构和标准Fibonacci准周期结构声子晶体的透射系数进行比较. 结果表明,利用一维广义Fibonacci准周期结构的声子晶体可获得比周期结构和标准Fibonacci准周期结构声子晶体更大的带隙范围,同时在带隙内有更丰富的局域模式存在. 对局域模性质的研究有助于声波或弹性波滤波器的制作. 关键词： 广义Fibonacci准周期结构 声子晶体 局域化     

一维准周期结构声子晶体透射性质的研究

提出了一维准周期结构的声子晶体模型.对弹性波通过该一维准周期结构声子晶体的透射系数进行了数值计算，并与周期结构的透射系数进行了比较.计算结果表明，弹性波通过一维准周期结构声子晶体时，同样会有带隙的出现，且带隙所在频率范围与周期结构的情形完全一样，不同的是在准周期结构声子晶体中，带隙内有很强的局域共振模.对此局域模性质的研究有助于声波或弹性波滤波器的制作. 关键词： 准周期结构 声子晶体 局域化     

二维声子晶体同质位错结缺陷态特性

利用平面波展开法结合超原胞的方法研究了二维声子晶体同质位错结的缺陷态.分别研究了横向位错和纵向位错两种情况，研究结果表明：横向位错效应与线缺陷相似，它可以使处于禁带频率范围内的声波沿位错通道进行传播，形成声波导；纵向位错效应则类似于点缺陷，位错线两边三个最接近的散射子形成腔，因而能够产生局域模.另外，横向位错距离和纵向位错距离的大小将影响缺陷带的位置和数量，因此，可以通过调节横向位错距离或纵向位错距离来人为的控制同质位错结中的缺陷带. 关键词： 声子晶体 同质位错结 缺陷态     

Absolute band gaps and waveguiding in free standing and supported phononic crystal slabs

Using the finite element method (FEM), we investigate the existence of absolute band gaps and localized modes associated with a guide in thin films of phononic crystals. Two different structures based on two-dimensional (2D) phononic crystals are considered, namely a free standing plate and a plate deposited on a silicon substrate. The 2D phononic crystal is constituted by a square array of cylindrical holes drilled in an active piezoelectric PZT5A matrix. We demonstrate the existence of absolute band gap in the band structure of the phononic crystal plate and, then, the possibility of guided modes inside a linear defect created by removing one row of air holes. In the case of the supported plate, we show the existence of an absolute forbidden band in the plate modes when the thickness of the substrate significantly exceeds the plate thickness.     

二维磁振子晶体中点缺陷模的耦合性质研究

在超原胞近似下, 利用平面波展开法数值计算了多点缺陷的二维磁振子晶体带结构及其部分缺 陷模的磁化强度场分布. 研究结果表明, 点缺陷模间的能量发生了耦合, 使自旋波沿着缺陷方向传播. 利用该性质可将含多点缺陷体的二维磁 振子晶体作为自旋波导波器件的制作材料.     

Band structures of Fibonacci phononic quasicrystals

The paper studies the band structures of a two-component Fibonacci phononic quasicrystal which is considered as a phononic crystal disordered in a special way. Oblique propagation in an arbitrary direction of the in-plane elastic waves with coupling of longitudinal and transverse modes is considered. The transfer matrix method is used and the well-defined localization factors which are used to study the ordered and disordered phononic crystals are introduced to describe the band gaps of the phononic quasicrystals. The transmission coefficients are also calculated and the results show the same behaviours as the localization factor does. The results show the merits of using the localization factors. The band gaps of the phononic quasicrystal and crystals with translational and/or mirror symmetries are presented and compared to the perfect phononic crystals. More band structures are exhibited when symmetries are introduced to the phononic quasicrystals.     

基于局域共振单元实现声子晶体低频多通道滤波

从理论上提出一种由局域共振单元组成的声子晶体低频多通道滤波模型.在二维三组元局域共振声子晶体中引入不同填充率的共振单元构成波导结构,通过有限元法计算出其能带结构、透射曲线和透射场图.结果显示:这种设计能够在低频带隙范围内不同填充率散射体的共振频率附近产生新的分立模,且这些分立模能够使相应的声波在声子晶体中沿波导方向传播;这些分立模只与相应的共振单元相关,抗干扰能力强.所得结果为低频多通道滤波器的设计提供了一种新的理论依据.     

Band structure characteristics of T-square fractal phononic crystals

The T-square fractal two-dimensional phononic crystal model is presented in this article.A comprehensive study is performed for the Bragg scattering and locally resonant fractal phononic crystal.We find that the band structures of the fractal and non-fractal phononic crystals at the same filling ratio are quite different through using the finite element method.The fractal design has an important impact on the band structures of the two-dimensional phononic crystals.     

Lamb waves in phononic crystal slabs: truncated plane parallels to the axis of periodicity

A theoretical study is presented on the propagation properties of Lamb wave modes in phononic crystal slabs consisting of a row or more of parallel square cylinders placed periodically in the host material. The surfaces of the slabs are parallel to the axis of periodicity. The dispersion curves of Lamb wave modes are calculated based on the supercell method. The finite element method is employed to calculate the band structures and the transmission power spectra, which are in good agreement with the results by the supercell method. We also have found that the dispersion curves of Lamb waves are strongly dependent on the crystal termination, which is the position of the cut plane through the square cylinders. There exist complete or incomplete (truncated) layers of square cylinders with the change of the crystal termination. The influence of the crystal termination on the band gaps of Lamb wave modes is analyzed by numerical simulations. The variation of the crystal termination leads to obvious changes in the dispersion curves of the Lamb waves and the widths of the band gaps.     

Theoretical and experimental investigations of flexural wave propagation in periodic grid structures designed with the idea of phononic crystals

The propagation characteristics of flexural waves in periodic grid structures designed with the idea of phononic crystals are investigated by combining the Bloch theorem with the finite element method. This combined analysis yields phase constant surfaces, which predict the location and the extension of band gaps, as well as the directions and the regions of wave propagation at assigned frequencies. The predictions are validated by computation and experimental analysis of the harmonic responses of a finite structure with 11× 11 unit cells. The flexural wave is localized at the point of excitation in band gaps, while the directional behaviour occurs at particular frequencies in pass bands. These studies provide guidelines to designing periodic structures for vibration attenuation.