一维指数形变截面有限周期声子晶体的研究

本文利用集中质量法对弹性纵波在一维指数形截面有限周期声子晶体中的传播进行了研究, 得到了频率响应函数的表达式. 与一维等截面的声子晶体相比, 指数形变截面声子晶体带隙内的衰减值随着输出端截面积的增大而减小, 同时带隙的起始频率降低而截止频率升高, 也即带隙的宽度会得到拓展. 晶格常数和材料组份比变化时, 变截面声子晶体带隙的起始频率和截止频率的变化趋势与等截面时的声子晶体相同. 希望本文的研究能够推动声子晶体在减振降噪等领域中的应用.     

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.     

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.     

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     

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     

磁导率对二维蜂窝结构光子晶体带隙的影响

利用平面波展开法对二维六角晶格结构磁性光子晶体的带隙特性进行了研究，给出其能带结构分布图，并与非磁性介质构成的光子晶体进行了比较.结果表明，由磁性材料构成的光子晶体更易出现带隙，磁导率对带隙结构影响很大.空气背景磁性散射子情况，磁导率增加较小时，二个绝对光子带隙宽度逐渐减小，直至消失.继续增加磁导率，在较低频率范围内出现一个绝对光子带隙，占空比逐渐加大，且最佳填充系数基本保持不变.磁性背景空气散射子，类似地在较低频率范围内也出现了一个绝对光子带隙.磁性背景非磁性散射子与空气背景磁性散射子情况相似.     

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.     

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     

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。      

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     

Compton散射对非均匀等离子体光子晶体光子带隙的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和时域有限差分法,对多光子非线性Compton散射对非均匀等离子体光子晶体光子带隙特性的影响进行了研究,提出将入射和散射光作为形成光子带隙的新机制,对电磁波方程进行了修正.结果表明:与Compton散射前相比,散射使电磁波幅值衰减更快|随等离子体密度增加,透射谱禁带宽度几乎无变化,其中心频率向高频方向有明显移动,向上的峰值有较大增加,反射谱向下的峰值有明显减小|随温度增加,透射谱禁带宽明显减小,向上的峰值略有减小,透射能量有所降低|随两种介质介电系数比增加,光子禁带数增加,且带隙间距显著减小.     

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.     

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应用多光子非线性Compton散射模型和时域有限差分法,对Compton散射对时变非磁化等离子体光子晶体禁带的影响进行了研究,提出了将多光子非线性Compton散射电磁波和入射电磁波作为等离子体光子晶体产生光子禁带的新机制,给出了电磁场的Maxwell方程组和叠代方程的修正方程,并进行了数值模拟。结果表明,Compton散射使等离子体禁带宽随等离子体上升时间的增大比散射前有明显减小而最后趋于定值,均匀等离子体透射率峰值比线性等离子体增大得更多,利用Compton散射可实现对光子禁带的控制。     

Lamb wave band gaps in locally resonant phononic crystal strip waveguides

Using finite element method, we have made a theoretically study of the band structure of Lamb wave in a locally resonant phononic crystal strip waveguide with periodic soft rubber attached on the two sides of epoxy main plate. The numerical results show that the Lamb wave band gap based on local resonant mechanism can be opened up in the stub strip waveguides, and the width of the local resonant band gap is narrower than that based on the Bragg scattering mechanism. The results also show that the stub shape and width have influence on the frequency and width of the Lamb wave band gap.     

一维光子晶体斜入射波包的带隙结构

对波包的任意傅里叶分量进行坐标变换后,利用转移矩阵法推导出波包斜入射情形下一维光子晶体的色散关系表达式,利用色散关系曲线分析得出波包斜入射的第一带隙结构,与以往平面波的第一带隙结构不同,波包的带隙宽度小于平面波的带隙宽度,并且在位置上前者带隙包含在后者内部.比较了一维光子晶体分别在波包入射与平面波入射情形下带隙位置和宽度,分析了波包中心入射角的变化以及波包的角分布范围的变化对带隙结构的影响,得到了一维光子晶体对波包斜入射的带隙结构的基本特征,确定了计算波包带隙能够近似当作平面波处理的条件.研究表明,波包的带隙结构受入射角大小和波包角分布范围的影响.入射角越小,波包入射的带隙结构越接近平面波;波包的角分布范围越小,光子晶体对波包的带隙宽度和位置越接近平面波.     

一维光子晶体斜入射波包的带隙结构

对波包的任意傅里叶分量进行坐标变换后,利用转移矩阵法推导出波包斜入射情形下一维光子晶体的色散关系表达式,利用色散关系曲线分析得出波包斜入射的第一带隙结构,与以往平面波的第一带隙结构不同,波包的带隙宽度小于平面波的带隙宽度,并且在位置上前者带隙包含在后者内部.比较了一维光子晶体分别在波包入射与平面波入射情形下带隙位置和宽度,分析了波包中心入射角的变化以及波包的角分布范围的变化对带隙结构的影响,得到了一维光子晶体对波包斜入射的带隙结构的基本特征,确定了计算波包带隙能够近似当作平面波处理的条件.研究表明,波包的带隙结构受入射角大小和波包角分布范围的影响.入射角越小,波包入射的带隙结构越接近平面波;波包的角分布范围越小,光子晶体对波包的带隙宽度和位置越接近平面波.     

Double-resonant extremely asymmetrical scattering of electromagnetic waves in periodic arrays separated by a gap

Two strong simultaneous resonances of scattering – double-resonant extremely asymmetrical scattering (DEAS) – are predicted in two parallel, oblique, periodic Bragg arrays separated by a gap, when the scattered wave propagates parallel to the arrays. One of these resonances is with respect to frequency (which is common to all types of Bragg scattering), and another is with respect to phase variation between the arrays. The diffractional divergence of the scattered wave is shown to be the main physical reason for DEAS in the considered structure. Although the arrays are separated, they are shown to interact by means of the diffractional divergence of the scattered wave across the gap from one array into the other. It is also shown that increasing separation between the two arrays results in a broader and weaker resonance with respect to phase shift. The analysis is based on a recently developed new approach allowing for the diffractional divergence of the scattered wave inside and outside the arrays. Physical interpretations of the predicted features of DEAS in separated arrays are also presented. Applicability conditions for the developed theory are derived.     

Growth of ultrasmall nanoparticles based on thermodynamic size focusing

A physical mechanism of phononic band gap and resonant nanoacoustic scattering in an aggregate of two elastic nanospheres is presented in this paper. By considering the Van der Waals (VdW) force between two nanospheres illuminated by nanoacoustic wave, phononic band gap and frequency shift at the lower frequency side, and largely enhanced nanoacoustic scattering at the other frequency range have been found through calculating the form function of the acoustic scattering from the nanosystem. This VdW-force-induced band gap is different from the known mechanisms of Bragg scattering and local resonances for periodic media. It is shown that when the separation distance between two nanospheres is decreasing from 20 to 1?nm, due to the increasing VdW force, the nanoacoustic scattering is much heightened by two order of magnitude, and meanwhile the frequency shift and phononic band gap at the low frequencies are both widened. These results could provide potential applications of nanoacoustic devices.     

用转移矩阵法数值研究二维正方介质柱光子晶体的传输特性

利用转移矩阵方法对二维正方介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,数值计算研究了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同时光子晶体的传输特性。数值结果表明光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,正方晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角对光子禁带有重要影响。数值研究表明在正方介质柱下设计宽平坦光子禁带时,可以首先考虑正方晶格结构,其次设法使柱体截面尽量大一些,最后可通过柱体放置方位角来微调光子禁带的宽度与中心频率以达到设计要求。     

Vibration reduction by using the idea of phononic crystals in a pipe-conveying fluid

Flexural vibration in a pipe system conveying fluid is studied. The pipe is designed using the idea of the phononic crystals. Using the transfer matrix method, the complex band structure of the flexural wave is calculated to investigate the gap frequency range and the vibration reduction in band gap. Gaps with Bragg scattering mechanism and locally resonant mechanism can exist in a piping system with fluid loading. The effects of various parameters on the gaps are considered. The existence of flexural vibration gaps in a periodic pipe with fluid loading lends new insight into the vibration control of pipe system.