一维固液介质准周期结构声子晶体的传输特性

针对一维固液介质的Fibonacci序列准周期声子晶体,利用传输矩阵法研究了弹性纵波在准周期结构中的透射特性。计算结果表明：准周期结构具有比周期结构更宽的禁带,并伴随带边谐振;序列越高,带边谐振越强,并在较低序列的禁带中心出现谐振模;弹性波以0.1rad斜入射时,透射谱向高频方向移动;当固液介质波阻抗接近时,出现等间距的谐振模,同时禁带消失。     

固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的缺陷模

为了研究弹性波在固-固掺杂结构声子晶体中缺陷模的特性,推导出弹性波斜入射固-固掺杂结构声子晶体的转移矩阵。利用它计算了固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的透射系数,得到由于掺杂在禁带的中间出现了多条缺陷模透射峰带,缺陷模透射峰带随杂质厚度的变化呈周期性地出现,在同一缺陷模透射峰带上缺陷模的频率随杂质厚度增加近似呈线性减少。缺陷模的这些特征可以作为设计声子晶体滤波器的理论依据。     

弹性波斜入射声子晶体的传输特性

引入四维波矢的概念,推导出弹性波斜入射到多层介质系统的转移矩阵以及透射系数和反射系数公式.利用这些公式计算了横波和纵波斜入射一维声子晶体时横渡和纵波的透射系数,得出横波斜入射,透射波中的横波和纵波在一定频率范围内都会出现禁带,纵波斜入射时也有类似的结果.透射波中横波与纵波的相互转型随着入射角的增大而越加明显.     

新型声子晶体全反射贯穿效应的滤波特性

利用转移矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维声子晶体的透射率,结果发现：在入射角岛为0．33rad、0．4rad、0．9rad、1．3rad附近都出现了明显的透射峰带,即在透射波中出现了全反射贯穿效应;其中在0．4rad附近的这个透射峰带的频率范围小、峰值细密,可以利用它来实现多通道滤波。同时研究了贯穿效应随介质厚度和周期数的变化特征,发现贯穿效应具有优良的滤波特性。利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的新型一维声子晶体的滤波器。     

半无限周期声子晶体的全反射隧穿能带

利用色散法研究了在入射角大于全反射角时弹性波在一维半无限周期声子晶体中的传输特性。结果发现当弹性波大于全反射角入射一维半无限周期声子晶体时出现了两级全反射隧穿导带;并得出了全反射隧穿导带随入射角和周期厚度的响应曲线,分析可知:导带的频率中心随入射角的增加而增加,随周期厚度的增加而降低;导带的频率宽度随入射角的增加而减小,随周期厚度的增加而降低。     

最优二维固/固声子晶体带隙特性研究

声子晶体是一种具有弹性波带隙特性的周期性复合材料,其带隙特性受单胞拓扑形状的影响。通过拓扑优化技术,能够突破传统设计方法的局限,实现对声子晶体的主动设计。本文基于遗传算法和改进的平面波展开法,通过两阶段的优化过程,得到具有最大相对带隙的二维铜/环氧树脂声子晶体结构,并进一步研究不同带隙最优声子晶体单胞拓扑形状及其带隙特性。结果表明,利用所开发的带隙优化程序,能够得到满足带隙要求的具有全局最优的声子晶体结构;声子晶体最低带隙所对应的单胞是简单晶格结构,其散射体形状简单,而且对应的带隙频率最低,相对带隙最大,对于隔音减振最有实用价值。     

声子晶体结构在汽车制动降噪中的理论研究及应用

基于弹性波在声子晶体结构中传播时会产生弹性波带隙,即特定频率范围的弹性波被禁止传播这一特性,为降低高频的制动噪音,将声子晶体这一新结构引入到汽车盘式制动装置中。通过对汽车制动噪音频谱的分析,得到高频噪音比较集中的频段。通过设计专用的二维空气柱/钢体系正方格子声子晶体结构(体积占有率为40%),使高频噪声集中频段(2000~2500Hz)落于声子禁带中,以达到降噪的目的。与传统的制动降噪技术相比,利用声子晶体结构的降噪装置具有频带宽和降噪量大的优越性。通过实验装置验证了声子晶体降噪结构的可行性,在2000~2500Hz范围内,声压的降低幅值最大可达25dB,平均降噪量可达13dB以上,即对汽车刹车减噪起到了明显的效果。     

含有功能梯度材料的一维声子晶体弹性波带隙研究

将功能梯度材料引入声子晶体之中,构成由均匀材料和功能梯度材料交替复合而成的材料常数宏观上呈连续变化的一维声子晶体结构.应用平面波展开法研究了该结构中存在的弹性波带隙特征,并得到前四阶归一化频率带隙结构随材料长度和功能梯度材料指数因子变化的关系图.通过对其带隙结构与不含功能梯度材料的常规声子晶体带隙结构比较可知:功能梯度材料使原有带隙结构发生变化,含有功能梯度材料的声子晶体较常规声子晶体前两阶带隙归一化起始频率升高.这些结果扩宽了功能梯度材料的使用范围,提升了声子晶体工程可靠性,为含有功能梯度材料的声子晶体在工程实际中的应用提供了理论依据和指导.     

一维声子晶体带隙的非局部辛分析

周期性弹性复合结构(声子晶体)中传播的弹性波存在特殊的色散关系:弹性波只能在某段频率范围内无损耗的传播,该频率范围称为通带.一维声子晶体的色散问题可以看作分层介质中弹性波的传播问题,利用二维弹性理论予以分析.为了研究非局部效应对声子晶体带隙特性的影响,将Eringen的二维非局部弹性理论引入到Hamilton体系下,利用精细积分与扩展的Wittrick Williams算法可获取任意频率范围内的本征解.通过对不同算例的数值计算,分析和对比了非局部理论方法与传统局部理论方法的差别.并进一步指出了该套算法的适用性和优势所在.     

固-液圆柱掺杂声子晶体中弹性波的缺陷模

利用一维固-液圆柱形掺杂声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导出弹性波在一维固-液圆柱形掺杂声子晶体中各种模式满足的关系式,研究了各种模式弹性波的特性。利用转移矩阵计算出弹性波的缺陷模随模式量子数以及圆柱半径的变化规律,得到了一些一维固-液结构圆柱形掺杂声子晶体缺陷模的新特征。研究结果表明,缺陷模的频率和半高宽均与模式量子数和圆柱半径有关。     

方形固-液声子晶体的全反射隧穿及其多通道滤波

为了研究一维固-液结构方形声子晶体中弹性波的全反射隧穿效应,利用传输矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维固-液结构方形声子晶体的透射率。在透射波中发现了全反射隧穿效应,并且全反射隧穿峰具有优良的多通道滤波特性。得出了一维固-液结构声子晶体的全反射隧穿的滤波特性随周期数、模式量子数、边长的变化规律。为设计性能优良的多通道声子晶体滤波器提供了理论依据。     

声光子晶体带隙特性与声光耦合作用研究综述

声光子晶体是一种同时具有光子和声子带隙的周期性结构.声光子晶体为同时控制电磁波和弹性波的传播提供了一个系统的平台,并在光学、声学及声光多功能器件、腔光力学等领域展现了十分广阔的应用前景.论文首先介绍了声光子晶体的基本概念,包括声光子晶体的材料、空间周期分类、能带结构的计算方法等;阐述了不同体系下声光子晶体双重带隙的特性,以及拓扑优化方法在声光子晶体带隙优化方面的应用;然后简要介绍了腔光力学,以及计算声光耦合作用的准静态方法和光力耦合系数方法,并针对当前各种声光子晶体结构中声光耦合作用的研究进行了阐述;还进一步介绍了声光子晶体波导和传感器的相关研究;最后,基于当前声光子晶体的研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及到增强声光子晶体谐振腔的声光相互作用、三维声光子晶体的研究、声光超构材料的设计、声光子晶体器件设计与应用等.     

声子晶体L型波导高透射率拐角的设计

针对波导拐角处的透射及其能量损耗问题,本文设计了5种不同的拐角,应用在钢-水组分和铝-空气组分的声子晶体L型波导中;采用有限元方法,计算两种系统在不同频率范围内的透射率,并分析了带隙内缺陷态透射峰的振幅分布图。结果表明:采用直角形拐角,透射明显减弱;采用折线型拐角可以增强带隙内缺陷模的透射峰,也会产生新的带隙;采用环状弧形拐角,带隙内缺陷模的透射最强,且没有产生新的带隙。     

包裹层结构对轻质声子晶体低频振动带隙的影响

基于局域共振机理提出新型轻质声子晶体包裹层结构设计方法。借助有限元法,计算新型声子晶体能带结构、本征模态,分析包裹层总缺口度数一定时不同包裹层缺口数量及布置位置对第一完全带隙截止频率的影响;设计包裹层与散射体连接形式为线连接与点连接两种新型声子晶体模型,分别得到起始频率为37.4Hz及19.0Hz的第一完全带隙,分析第一完全带隙起始频率处散射体本征模态,揭示新型声子晶体极低第一完全带隙起始频率产生机理;进而,与传统面连接型声子晶体通过增加散射体质量降低第一完全带隙起始频率的方法对比。研究结果表明,包裹层总缺口度数一定时,采用缺口数量更多且缺口位置距离连接短板更大的包裹层布置形式能得到更宽的第一完全带隙;提出的包裹层与散射体线连接与点连接型声子晶体在获得极低第一完全带隙起始频率的同时,显著降低了声子晶体质量,突破了传统声子晶体通过增加散射体质量降低第一完全带隙起始频率的限制,为轻质声子晶体获得极低局域共振带隙起始频率的研究设计提供了参考。     

正负折射率的一维圆形受限光子晶体特性研究

对正负折射率材料构成的一维光子晶体,在横向圆形受限的条件下,推出了光波在其中传播时模式所满足的条件,并利用特征矩阵法研究了正负折射率绝对值相同时,光波在不同模式和不同介质厚度可见光能实现透射波和零反射。正负折射率绝对值不等时,得出介质厚度为半波长时透射波出现在中心波长处;随着模式数即入射角增大,透射波曲线向短波方向移动;介质折射率差的绝对值越大、周期数增加都使透射波谱宽度变窄。     

波由单相弹性介质向横观各向同性液体饱和多孔介质传播时的反射与透射

研究了弹性波从单相各向同性弹性介质向双相各向异性液体饱和介质的传播问题。基于Biot的孔隙介质理论，并考虑动态渗透率，对以任意角度，任意频率入射的弹性波，解析地导出了在界面上的透射角，透射波波速和衰减系数，给出了各波在界面上的能量分配，数值计算了反射，透射系数与入射角，孔隙度等的关系曲线。     

一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的机理研究

建立了一维固-液掺杂声子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出了缺陷模频率满足的解析公式,从理论上解释了产生一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的物理机理.利用频率的解析公式研究了缺陷模的频率随入射角、杂质厚度、杂质波速的变化规律.结果表明:缺陷模的频率随入射角和杂质波速的增加而增加,缺陷模的频率随杂质厚度的增加而减少,圆满地解释了一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的变化规律.在此基础上并与转移矩阵法的计算结果进行了比较,其结果吻合.     

声子晶体中SH波缺陷模的相干叠加理论

利用波的相干叠加原理推导出一维掺杂声子晶体中SH波缺陷模的透射率公式和频率公式,即建立了缺陷模的相干叠加法。将相干叠加法与转移矩阵法和共振理论进行了比较研究,结果表明缺陷模的相干叠加法具备转移矩阵法和共振理论各自的优点,又克服了转移矩阵法和共振理论各自的不足。相干叠加法是研究一维掺杂声子晶体中SH波缺陷模的一种更有效的方法。     

固-固有限周期声子晶体中SH波全反射隧穿的机理

利用边界条件推导出SH波在一维固-固有限周期声子晶体中的转移矩阵,并用倏逝波的概念和多波束干涉理论,从理论上解释了一维固-固有限周期声子晶体全反射隧穿效应产生的物理机理,得出了全反射隧穿峰带波长满足的解析公式。利用解析公式和转移矩阵研究了一维固-固有限周期声子晶体中SH波的全反射隧穿效应,结果发现两种方法得出的结论是吻合的。     

固-固有限周期声子晶体中SH波全反射隧穿的机理

利用边界条件推导出SH波在一维固-固有限周期声子晶体中的转移矩阵,并用倏逝波的概念和多波束干涉理论,从理论上解释了一维固-固有限周期声子晶体全反射隧穿效应产生的物理机理,得出了全反射隧穿峰带波长满足的解析公式。利用解析公式和转移矩阵研究了一维固-固有限周期声子晶体中SH波的全反射隧穿效应,结果发现两种方法得出的结论是吻合的。