大弹性常数差二维声子晶体带隙计算中的集中质量法

通过引入振动力学中的连续系统离散化的思想，将一维集中质量法延伸至二维，提出一种二维声子晶体带隙特性计算的集中质量法. 进而采用该算法对两种正方晶格的二维声子晶体的带结构进行了计算，计算结果与传统的平面波展开法相符合. 通过对计算结果以及两种算法收敛性的分析，发现集中质量法的收敛性对组成声子晶体的不同材料弹性参数差不敏感，这使得该算法在计算大弹性常数差二维声子晶体的带隙特性时较平面波展开法收敛速度更快. 此外，集中质量法对二维声子晶体单元形状没有特殊要求，这使得它更加适用于声子晶体带隙特性的计算. 关键词： 声子晶体 声子带隙 集中质量法     

基于集中质量法的一维声子晶体弹性波带隙计算

通过将一维声子晶体中的原胞简化为有限多个自由度的弹簧振子结构，引入了一种基于集中 质量法的一维声子晶体弹性波带隙计算方法.与传统平面波展开法相比，该方法的计算结果 与之相符合，而且在收敛性方面较之有很大改善.通过使用集中质量法，可在得到同样计算 精度的条件下，显著降低计算量，提高计算速度. 关键词： 声子晶体 弹性波带隙 集中质量法 平面波展开法     

基于平面波算法的二维声子晶体带结构的研究

介绍了平面波算法计算声子晶体带结构的分析过程，计算了二维双组分液相体系声子晶体的带结构.结果表明，四氯化碳/水银体系比水银/四氯化碳体系更容易产生带隙.随分散相填充分数f的增加，四氯化碳/水银体系声子晶体带隙宽度ΔΩ先增加，后减小，当f=0229时，有最大值ΔΩ=0549；水银/四氯化碳体系的带隙宽度一直增大，当f=0554时，有最大值ΔΩ=0515；f一定时，改变分散相单元的几何尺寸和点阵常数，带隙宽度ΔΩ保持不变. 关键词： 声子晶体 声子带隙 平面波算法 带结构     

遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用

运用自适应遗传算法对二维声子晶体的带隙宽度进行优化设计，并与平面波展开法相结合，研究了由正方形排列的铅-环氧树脂构成的声子晶体的带隙宽度优化问题，发现自适应遗传算法可以有效地搜索到具有较宽完全声子带隙的优化单胞形式. 关键词： 声子晶体 声子带隙 遗传算法     

超元胞方法研究平移群对称性对声子带隙的影响

采用基于超元胞的平面波展开法，计算了由水银(水)正四棱柱体按正方格子排列于水(水银)基体中所组成的两种声子晶体的能带结构.通过改变两相邻的柱体底面边长之比来改变声子晶体的平移群对称性.结果发现，改变相邻柱体的底面边长之比，具有很好的调节声学带隙的作用.研究表明，声子晶体的平移群对称性对于其带隙的形成具有重要影响,同时还表明,超元胞方法也是研究声子晶体平移群对称性影响声子带隙形成的一种有效方法. 关键词： 声子晶体 带隙 对称性     

二维声表面波压电声子晶体在射频段的时域有限差分法

对二维声表面波压电声子晶体在射频段的带隙特性,进行了时域有限差分法(FDTD)理论推导和计算,并提出实验方法对比验证。FDTD计算模型考虑了压电效应,引入周期边界条件以节省计算空间和时间,采用完全匹配层以解决声表面波在截断边界处的虚拟反射问题。实验上分别设计有/无二维压电声子晶体的两种宽频带延迟线结构,测量两种延迟线的传输系数取差值,得到了二维压电声子晶体的带隙;其中通过时域加窗函数保留一次传输信号,进行干扰信号的去除。以铝/128°YX-LiNbO3二维压电声子晶体为例,该FDTD方法、商业有限元软件COMSOL、实验方法均得到了100500 MHz射频段内的多个带隙,三种带隙对比证明了FDTD计算带隙与实验测量带隙一致,比COMSOL计算的计算带隙精度更高。      

二维复式格子声子晶体带隙结构特性

借助于平面波展开法分析了二维复式格子声子晶体能带结构，计算了铝合金柱体按周期性结构排列在空气中形成的二维固/气复合体系的声子晶体，给出了复式蜂窝格子和复式Kagome格子的能带结构，进而对比分析了复式格子和简单格子的能带结构特性.结果表明，与简单格子相比，复式格子的带隙出现在频率相对较低的位置；在f=0.091—0.6046范围内，将声子晶体排列为复式格子要优于简单格子，可以得到更宽带隙.此外，引入了带隙分布图，讨论了填充系数f对带隙数目、带隙宽度以及带隙上下边界频率的影响. 关键词： 声子晶体 复式格子 带隙 平面波算法     

新型功能材料——声子晶体

声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材料，这种周期性弹性结构具有许多重要性质，如声波带隙特性，即处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播。通过求解声波在晶体中的运动方程可以设计一定的声子禁带和允带，而声子禁带与声波异质结构中声子的安德森局域化问题密切相关。文章重点阐述了声子晶体的主要特征、理论研究方法、潜在应用及前景展望。     

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     

多振子梁弯曲振动中的局域共振带隙

从梁的弯曲振动方程出发,利用传递矩阵法,给出了无限周期结构的一维多振子声子晶体梁的弯曲振动能带结构,并利用有限元方法计算了有限周期结构梁的弯曲振动频率响应.建立了多振子声子晶体梁的简化模型,推导出带隙起始截止频率公式.结果表明:一维多振子声子晶体梁具有比单振子声子晶体梁更宽更丰富的振动带隙,可应用于呈倍频关系的减振降噪中;振动在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减;所建立的简化模型与理论模型结果符合较好.研究工作为梁类结构的减振提供一种新的思路.     

Wave localization in two-dimensional porous phononic crystals with one-dimensional aperiodicity

The localization properties of in-plane elastic waves propagating in two-dimensional porous phononic crystals with one-dimensional aperiodicity are initially analyzed by introducing the concept of the localization factor that is calculated by the plane-wave-based transfer-matrix method in this paper. The band structures characterized by using localization factors are calculated for different phononic crystals by altering matrix material properties and geometric structure parameters. Numerical results show that the effect of matrix material properties on wave localization can be ignored, while the effect of geometric structure parameters is obvious. For comparison, the periodic porous system and Fibonacci system with rigid inclusion are also analyzed. It is found that the band gaps are easily formed in aperiodic porous system, but hard for periodic porous system. Moreover, compared with aperiodic system with rigid inclusion, the wider low-frequency band gaps appear in the aperiodic porous system.     

Tunable band gaps in acoustic metamaterials with periodic arrays of resonant shunted piezos

Periodic arrays of resonant shunted piezoelectric patches are employed to control the wave propagation in a two-dimensional (2D) acoustic metamaterial. The performance is characterized by the finite element method. More importantly, we propose an approach to solving the conventional issue of the nonlinear eigenvalue problem, and give a convenient solution to the dispersion properties of 2D metamaterials with periodic arrays of resonant shunts in this article. Based on this modeling method, the dispersion relations of a 2D metamaterial with periodic arrays of resonant shunted piezos are calculated. The results show that the internal resonances of the shunting system split the dispersion curves, thereby forming a locally resonant band gap. However, unlike the conventional locally resonant gap, the vibrations in this locally resonant gap are unable to be completely localized in oscillators consisting of shunting inductors and piezo-patches.     

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     

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.     

X形超阻尼局域共振声子晶体梁弯曲振动带隙特性

以声子晶体理论为基础,设计了一种具有超阻尼特性的X形局域共振结构,分析了周期性附加X形局域共振的梁弯曲振动传播特性.利用拉格朗日方程分析了X形局域共振结构动力学等效特性,揭示了该结构的阻尼放大的机理,分析了几何结构参数对于带隙特性的影响,并利用有限元法验证了X形局域共振结构的超阻尼特性.研究结果表明,周期性附加X形局域结构能够有效地抑制低频弯曲振动在梁中的传播,产生超阻尼特性,实现低频、宽带的减振效果,为结构的低频减振提供了一个新的设计方案.     

Elastic wave localization in two-dimensional phononic crystals with one-dimensional random disorder and aperiodicity

The band structures of in-plane elastic waves propagating in two-dimensional phononic crystals with one-dimensional random disorder and aperiodicity are analyzed in this paper. The localization of wave propagation is discussed by introducing the concept of the localization factor, which is calculated by the plane-wave-based transfer-matrix method. By treating the random disorder and aperiodicity as the deviation from the periodicity in a special way, three kinds of aperiodic phononic crystals that have normally distributed random disorder, Thue-Morse and Rudin-Shapiro sequence in one direction and translational symmetry in the other direction are considered and the band structures are characterized using localization factors. Besides, as a special case, we analyze the band gap properties of a periodic planar layered composite containing a periodic array of square inclusions. The transmission coefficients based on eigen-mode matching theory are also calculated and the results show the same behaviors as the localization factor does. In the case of random disorders, the localization degree of the normally distributed random disorder is larger than that of the uniformly distributed random disorder although the eigenstates are both localized no matter what types of random disorders, whereas, for the case of Thue-Morse and Rudin-Shapiro structures, the band structures of Thue-Morse sequence exhibit similarities with the quasi-periodic (Fibonacci) sequence not present in the results of the Rudin-Shapiro sequence.