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     

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     

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.     

空间盘绕型声学超材料的亚波长拓扑谷自旋态

声子晶体的Dirac线性色散关系,使其具有奇特的声拓扑特性,在声波控制领域具有良好的应用前景.目前,声子晶体的拓扑边缘态主要基于Bragg散射所产生的能带结构,难以实现低频声波的受拓扑保护单向边缘传输.本文引入空间盘绕结构,设计了具有C_(3v)对称性的空间盘绕型声学超材料,并研究其布里渊区高对称点(K/K'点)的亚波长Dirac锥形线性色散.接着,通过旋转打破空间盘绕型声学超材料的镜像对称性,使其Dirac简并锥裂开而产生亚波长拓扑相变和亚波长拓扑谷自旋态.最后,采用拓扑相位互逆的声学超材料构造拓扑界面,实现声拓扑谷自旋传输.空间盘绕型声学超材料的亚波长Dirac线性色散与亚波长拓扑谷自旋态突破了声子拓扑绝缘体的几何尺寸限制,为声拓扑稳健传输在低频段的应用提供理论基础.     

二维正方排列圆柱状亥姆赫兹共振腔阵列局域共振声带隙的研究

通过对二维正方排列圆柱状亥姆赫兹共振腔阵列声性质的研究,指出局域共振型声子晶体中存在两类耦合作用, 即共振单元与基体的弱耦合作用及共振单元间的耦合作用.其中前一种耦合作用可以通过改变共振单元的品质因子而改变, 逐渐减小这种耦合作用可以实现从局域共振到布拉格共振的连续转变;后一种耦合是通过共振单元周围的近场耦合实现的, 通过减小共振单元的间距可以增大其耦合强度,因而增大带隙宽度,但带隙中波的衰减深度却是随这种耦合强度的增大而减小的.     

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     

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振及尺寸效应

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振为二维磁光光子晶体的手征性边缘模的生成提供了重要的机制. 但目前对此类颗粒的局域表面等离激元共振效应的研究局限于长波长近似下的结果, 且缺乏对发生共振时的远场与近场特征的深入了解. 本文从散射理论出发, 计算并分析了柱状磁光颗粒发生局域表面等离激元共振的条件与特殊的场特征, 并讨论了颗粒尺寸对共振峰的影响. 计算结果解释了实验中观察到的二维磁光光子晶体的共振带隙与在长波长近似下得到的局域表面等离激元共振频率的明显偏移, 并展示了颗粒在较大尺寸下形成的高阶共振峰, 这可能有助于利用共振效应在磁光光子晶体中实现多模的手征边缘态.     

固-固无限周期声子晶体中SH波全反射隧穿的谐振理论

利用边界条件推导出SH波在一维固-固声子晶体中的转移矩阵, 得出一维固-固无限周期声子晶体中SH波的色散关系. 通过建立一维固-固无限周期声子晶体的谐振腔模型并利 用共振条件得出SH波的全反射隧穿的波长公式. 利用波长公式研究了SH波全反射隧穿的波长变化规律, 其结果与色散法一致. 解释了一维固-固无限周期声子晶体中SH波的全反射隧穿效应产生的原因. 关键词： 声子晶体 SH波 全反射隧穿 谐振理论     

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     

局域共振型声学超材料机理探讨

本文以二维固体薄板中的弹性波传播为例, 对基于共振子结构的声学超材料带隙机理进行了探讨, 证明在声学超材料中带隙形成既与共振子对波的散射相位有关, 也与波在共振体之间的几何传播相位有关. 通过调节散射相位和几何传播相位均能实现对色散关系的调控. 基于这一理解, 探究了弹性波超材料中的次波长缺陷态和负折射现象的实现条件.     

Local resonant characteristics of a layered cylinder embedded in the elastic medium

Three kinds of resonant modes of a single layered circular elastic cylinder embedded in the elastic medium are analysed by considering the oscillation of the scatter＇s core, based on the fact that the core moves as a rigid body when the shell material is very compliant. The resonant frequencies of the single resonator acquired by our method are in good agreement with those calculated by the local interaction simulation approach （LISA） for the local resonant phononic crystal. Therefore, the local resonant characteristics of a single layered circular elastic cylinder can be used to evaluate the resonant frequencies of the phononic crystal. The effects of the geometrical and physical parameters of the shell and the core are also studied in details. This work is significant for designing the locally resonant phononic crystal based on the local resonant characteristics of the single resonator, and the resonant frequencies can be tuned by selecting the geometrical sizes and the materials.     

Influence of temperature on the properties of one-dimensional piezoelectric phononic crystals

The current study investigates the influence of temperature on a one-dimensional piezoelectric phononic crystal using tunable resonant frequencies. Analytical and numerical examples are introduced to emphasize the influence of temperature on the piezoelectric phononic crystals. It was observed that the transmission spectrum of a one-dimensional phononic crystal containing a piezoelectric material(0.7 PMN-0.3 PT) can be changed drastically by an increase in temperature.The resonant peak can be shifted toward high or low frequencies by an increase or decrease in temperature, respectively.Therefore, we deduced that temperature can exhibit a large tuning in the phononic band gaps and in the local resonant frequencies depending on the presence of a piezoelectric material. Such result can enhance the harvesting energy from piezoelectric materials, especially those that are confined in a phononic crystal.     

新型二维压电声子晶体板带隙可调性研究

设计了一种由涂有硬质材料涂层的柱状压电散射体周期性连接在四个环氧树脂薄板上构成的具有大带宽的新型二维压电声子晶体板,并利用有限元方法计算了该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场.研究表明：与二组元材料构成的传统声子晶体板相比,新设计的声子晶体板的第一完全带隙频率更低,并且带宽扩大了5倍;通过在压电体表面上施加不同的电边界条件,可以实现多条完全带隙的主动调控;压电效应对能带结构有很大的影响,并且有利于完全带隙的扩大与形成.基于带隙的可调谐性,分析了可切换路径的压电声子晶体板波导,结果表明可以通过改变电边界条件来限制弹性波能量流.     

Surface acoustic waves in 2D-phononic crystal of laminated pillars on a semi-infinite ZnO substrate

In this paper a phononic crystal of laminated pillars which are composed of two materials on a semi-infinite ZnO substrate is proposed. The unit cell can be regarded as a double-resonator model, which explicates the variation of band gaps. It is revealed that the band structure of the PC is highly influenced by the proportion of PZT-4 in laminated pillars. Besides, the high-frequency band gaps are the result of combined actions of the local resonance and the Bragg scattering, and the former dominates. Furthermore, the influences of the structural damping are investigated. It is observed that the bandgap-ratio remain unchanged and the band gaps translate to the right with isotropic structural loss factor increasing. Additionally, by introducing linear defects inside the laminated pillars, elastic energy at surface is strongly confined within defect pillars, and the coupling between defective pillars and SAW is governed by the physical parameter of resonators.     

Enhanced acoustic localization in the two-dimensional phononic crystals with slit tube defect

In this paper, the acoustic localization characteristics of the two-dimensional phononic crystals with slit tube defect are investigated theoretically and experimentally. In contrast to the typical formation pattern of defect states, the proposed defect states are created by replacing a slotted tube in the center of perfect phononic crystal. Compared to perfect phononic crystal, the proposed structure can effectively localize waves of specific frequencies in the point defect and improve the acoustic pressure amplification. Then the effects of the geometric parameters of the slotted tube on the acoustic localization characteristics are studied. Numerical results show that the resonant frequency and acoustic pressure amplification amplitude could be effectively modulated by the geometric parameters of the slotted tube. Experimental results are in good agreement with the simulation results.     

Surface resonant-states-enhanced acoustic wave tunneling in two-dimensional phononic crystals

We show that by placing a metal plate next to a two-dimensional phononic crystal, acoustic waves can tunnel through the combined structure at a specific frequency that lies inside the band gap of the phononic crystal. The enhanced transmission is attributed to the coupling of the input waves with the acoustically resonant states created between the metal plate and the phononic crystal. Experiments are in excellent agreement with the theoretical predictions.     

LCR分流电路下压电声子晶体智能材料的带隙

将带有LCR分流电路的压电陶瓷片对贴在铝和环氧树脂组成的声子晶体结构中.使智能材料的机械振动与压电陶瓷的压电效应耦合起来,推导出机械振动在压电陶瓷片上的等效附加应力;使LCR分流电路中的电磁振荡效应和声子晶体的能带特性有机结合,计算了在分流电路作用下智能材料扭转和弯曲振动的带隙特性,研究了电阻、电感、电容元件的改变对压电声子晶体智能材料带隙的影响.研究结果表明:在合理尺寸下,随着分流电路中电阻值的增大,带隙的频率范围变宽,但衰减幅值有所降低;电感和电容值的增大都可以使带隙向低频移动,带隙的衰减幅值随着电感值的增大而升高,但随着电容值的增大而降低.从而给压电声子晶体智能材料减震降噪的控制提供了一种新思路.     

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