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     

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     

球形复合柱表面波声子晶体的带隙特性仿真

设计了一种由镍球与环氧树脂垫层组成的复合柱沉积在铌酸锂基体上构成的表面波声子晶体结构,采用有限元法计算了其能带结构和位移矢量场.结果表明:与具有相同晶格常数的倒圆锥形表面波声子晶体结构相比,研究结构可以在更低的频率范围打开更宽的声表面波完全带隙,且随着复合柱半径增大,镍球体与压电基体的硬边界之间形成限制腔模,相邻高阶带隙间存在能量的耦合以及振动模式的继承;此外,温度场的引入可以实现带隙的主动调控,带隙频率范围随着温度升高向低频移动;通过增加复合柱体的层数,多振子结构与行波发生多极共振耦合,可在高阶能带间打开完全带隙.本文的研究结果为微米级表面波声子晶体结构在100 MHz以下频率范围的带隙特性优化提供了理论支持.     

二维空心散射体声子晶体板的低频带隙特性及其形成机理

利用有限元方法,对设计的涂有硅橡胶包裹层的空心铅柱体嵌入到4个环氧树脂短连接板中构成的声子晶体板的低频带隙特性进行了研究,分析了其能带结构、传输损失及位移场。与正方连接板粘连结构、嵌入结构和细连接短板粘连结构这3种传统声子晶体板的带隙特性作对比,说明具有包裹层、短连接板结构的声子晶体板更容易产生低频宽带;观察位移矢量场的振动模态,并结合弹簧质量模型,解释了带隙形成的机理;通过讨论连接板的宽度、散射体的内外半径及高度对第一完全带隙的影响,说明连接板宽度越窄,厚度越小,散射体内半径越小,外半径越大,高度越高,越有利于带隙的扩展。      

用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体*

低频振动的控制是评估汽车舒适性的重要指标。针对汽车板件结构的低频振动控制问题,提出了一种基于局域共振机理的新型准二维声子晶体板。其结构由单侧复合圆柱共振单元周期排布在基板上构成。通过有限元方法得到了该结构的带隙特性,并结合其振型和传输谱分析了低频完全带隙的形成机理。研究表明,不同形式的板振动模式与圆柱共振单元的局域共振模式相互耦合形成面内带隙与面外带隙,两者叠加形成完全带隙。进一步研究发现,通过改变结构的材料和尺寸参数可以将共振带隙调节到满足实际应用要求的极低频范围,可在低于100 Hz的频段形成完全带隙,并可在更宽的频带内抑制z方向振动的弯曲波,为声子晶体在车身板件减振中的实际应用提供了依据。     

二维复式声子晶体中基元配置对声学能带结构的影响

研究了二维复式声子晶体中基元配置对其声学能带结构的影响,发现当声子晶体的基元配置改变时,声子晶体的不可约布里渊区也会改变,而且部分能带的极值不再在高对称线上.特别地,在某些基元配置下,不可约布里渊区扩大为整个第一布里渊区.因此,对于对称性较高的复式晶格声子晶体,可用通常的方法得到能带结构,而对于对称性较低的复式晶格结构声子晶体,只有采用对整个第一布里渊区进行研究的方法,才能获得可信的能带结构及带隙.     

声子晶体板中的第二类狄拉克点和边缘传输

在弹性板波体系中设计了一种具有第二类狄拉克点的声子晶体板.不同于第一类狄拉克点,第二类狄拉克点附近的色散具有大的倾斜,以致于等频面的几何形状由点状变成交叉的线状.微调结构的几何参数破缺该镜面对称性,可打开第二类狄拉克点简并,实现体系的能带反转.能带反转前后的二维声子晶体板属于不同的能谷拓扑相,不同拓扑相之间存在无带隙的拓扑保护界面态.不仅如此,由于弹性板波界面态的特殊应力分布,单一能谷相声子晶体板的边界上同样支持无带隙的弹性波传输.本文拓展类石墨烯体系中的二维狄拉克点和能谷态到第二类情形中,在同一结构中获得了界面和边界上的弹性波无带隙边缘传输.由于结构设计简单,可在微小尺寸下加工获得,为高频弹性波器件的设计和构造提供了可行的途径.     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、 局域缺陷态与弹性波带隙等特性, 使其在声学隐身、 声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力. 同时, 二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料. 将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上, 可以制备出纳米尺度的声子晶体器件. 本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上, 形成一维声子晶体的方案. 有限元分析表明, 这种声子晶体在MHz 范围存在声子能带结构, 可以实现对声波传播的控制. 我们可以通过改变结构参数, 或者通过改变施加在栅电极上的电压, 对能带进行调控. 这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

嵌入压电基底蜂窝状声子晶体声表面波带隙特性

提出了将部分镍圆柱体镶入128°YX-LiNbO₃基底的二维蜂窝状压电型声子晶体。用有限元法结合低反射边界条件计算并分析了该结构的能带结构与传输损失。结果显示:与倒圆锥体结构相比,镶入型结构具有更低的声表面波(SAW)带隙,原因是将部分柱体嵌入到基底中增加了共振体的质量。通过分析带隙边缘处振动本征模态结合传输损失发现,第一SAW带隙是由局域共振机理打开,第二SAW带隙同时具有Bragg散射特性和局域共振特性。应用质量弹簧振动系统估算了第一SAW带隙的起始频率,结果为82.98 MHz。此外,讨论了柱体几何参数对带隙特性的影响。该研究为微米尺度SAW声子晶体的带隙调控奠定了一定基础。      

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.     

Anisotropic phononic crystal structure with low-frequency bandgap and heat flux manipulation

This study presents a two-dimensional phononic crystal with heat flux manipulation and wide bandgaps of out-of-plane modes within the low-frequency range. The anisotropic matrix made of spiral-multilayered materials with different thermal conductivities, and the coating layer inserted with metal are designed for heat flux manipulation. Rubber-coated metal cylinders are periodically embedded in the anisotropic matrix to obtain the low-frequency bandgaps of out-of-plane modes. Numerical simulation is carried out to validate the heat and elastic characteristics of the spiral-multilayered anisotropic structure and reveal the effects of the laying angle and temperature on the bandgaps. Subsequently, a spiral-multilayered plate with periodic structures is studied, which shows an obvious vibration attenuation in the frequency ranges of the bandgaps and a deflected heat flux from the initial propagation direction. In the experimental investigation, the multi-phase spiral-multilayered anisotropic plate is simplified to a single-phase anisotropic plate made of aluminum. The characteristics of this type of anisotropic phononic crystal structure may pave the way for the design of a new kind of thermo-acoustic metamaterial serving in combined thermal and acoustic environments.     

含内部连接体的二维声子晶体弹性波宽频带隙特性

声子晶体的弹性波带隙特性使得它在开发用于减振降噪的新型功能材料方面具有广阔应用前景。为获得宽频大带隙,改进了一种含连接体的正方晶格声子晶体结构.利用有限元法计算并分析了不同结构配置下其能带特性和振动模态。数值结果表明,单胞中同时引入新的质量块以及连接体将对原连接体的自由振动模态产生抑制作用,可在原分离的两带隙频率范围内获得相对带宽超过100%的单一宽频带隙。此外,通过调整几何尺寸、连接体数目、结构对称性等参数可进一步调控结构带隙特性。      

一维颗粒声子晶体的拓扑相变及可调界面态

基于Su-Schrieffer-Heeger模型,构造了一种一维非线性声子晶体,通过调控外加在声子晶体上的预紧力,可调控声子晶体的拓扑态,从而实现拓扑相变.利用这一效应,把该非线性声子晶体与另一线性声子晶体形成异质结构,可以实现一种新型声学开关:通过调节预紧力即调控非线性声子晶体的拓扑相,可以实现异质结构中界面态从无到有的转变,从而实现了开关效应.利用该效应可望开发新型声学器件,如可调谐振器、可调滤波器、可调隔振器等.     

Harvesting vibrations via 3D phononic isolators

We report on the existence of unidirectional phononic band gaps that may span over extended regions of the Brillouin zone and can find application in trapping elastic (acoustic) waves in properly designed multilayered 3D structures. Phononic isolators operate as a result of asymmetrical wave transmission through a slab of a crystallographic phononic structure with broken mirror symmetry. Due to the use of lossless materials in the crystal, the absorption rate is dramatically enhanced when the proposed isolator is placed next to a vibrational harvesting cell.     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

Phononic crystals containing piezoelectric material

The elastic band structure of a two-dimensional phononic crystal containing piezoelectric material is investigated by the plane-wave-expansion method. Numerical results show that for large filling fraction, the full band gap of this kind of system is enlarged by considering the piezoelectric effect, but for small filling fraction, the influence of the piezoelectric effect is so small that it can be neglected.     

A shape memory alloy-based tunable phononic crystal beam attached with concentrated masses

Shape memory alloys (SMAs) in phononic crystals (PCs) or metamaterials mostly serve as smart inserts or local resonators to generate tunable bandgaps for other structures. In this letter, we address the method for creating tunable bandgaps in structures made of SMA. Specifically, we consider concentrated masses, realized by steel balls, as attachments on a SMA. To provide a design guideline, we derived the closed-form bandgap formula of the proposed SMA PC beam. As the bandgap order increases, the coefficient of the nth Bragg bandgap width decreases. In addition, the practical final beam enlarges bandgap edges than ideally infinite PCs or metamaterials. Our experimental results on the PC beam with different sizes of the steel ball arrays agree with the analytical predictions of the bandgap behaviors. With the bandgaps formed by the steel balls and the shape memory effect, wide tunability of the bandgaps are achieved on the SMA beam.     

固-液结构圆柱声子晶体中弹性波的模式和带隙

利用一维固-液结构圆柱声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导弹性波在一维固-液结构圆柱声子晶体中各个模式满足的关系式,研究各个模式弹性波的特征.并用色散函数计算各模式弹性波的带隙随模式量子数和圆柱半径的变化规律.得出一维固-液结构圆柱声子晶体的带隙由模式量子数和圆柱半径确定.