基于有限元法与超胞法的结构声表面波缺陷态分析

简要介绍了有限元法与超胞法相结合计算结构声表面波缺陷能带结构的方法,理论上分析了缺陷型表面声子晶体的声限制和声波导.表面声子晶体由刻有周期性凹槽的刚性板构成,通过改变晶体中某一格点或某一排格点的几何参数可以构建点缺陷和线缺陷.利用有限元法与超胞法能够十分方便地计算出表面声子晶体的点缺陷和线缺陷对应的缺陷带结构以及特定频率声波局域在点缺陷与线缺陷的本征压力场.通过分析缺陷能带结构与本征压力场,可以直观地了解缺陷型表面声子晶体中的声限制和声波导.     

基于微机械加工工艺的声子晶体器件

声子晶体是一种周期复合人工超材料.声子晶体具有独有的声学特性-声学禁带,使其在声波控制和传输领域具有极强的应用潜力.利用微机械加工工艺制备的硅基声子晶体器件,可在微机电系统中实现高频弹性波的定向传输和控制,以及对弹性波能量的局域放大.设计了两种基于MEMS工艺的器件,分别用于实现功分器和谐振器的功能.内容覆盖了硅基声子晶体器件的背景、原理、设计、制造和表征等方面.     

两类一维流固声子晶体全向透射特性比较研究

研究了声纵波全向入射到两类一维流固声子晶体(第Ⅰ类满足固体横波传播速度cst大于流体纵波传播速度c1以及第Ⅱ类cst＜cl)的透射特性.推导了其传递矩阵,并应用有限元方法进行验证,二者显示结果一致性.研究表明两类声子晶体呈现的不同声透射特征:第Ⅰ类声子晶体中,高频声波在斜入射角大于第二全反射临界角条件下发生全反射现象,而低频声波却呈现全反射贯穿效应;第Ⅱ类声子晶体中,在整个频段范围内均会出现周期性的透射导带.两类声子晶体均出现了低频声裂隙现象,第Ⅱ类声子晶体低频声裂隙角范围明显大于第Ⅰ类.     

多振子声子晶体的低频特性研究

本文设计了一种由硅橡胶包覆层包裹4个钨振子的新型声子晶体结构,通过有限元法计算该结构的色散曲线、振动模态和传输损失谱。结果表明,该结构的带隙范围为18.85~225.28 Hz,与传输损失谱频率衰减范围相吻合,能够有效抑制20~200 Hz的弹性波在声子晶体中传播。通过分析色散曲线上点的振动模态,说明带隙产生的原因。本文讨论了声子晶体板的缺口角度和振子之间的纵向和横向间距对带隙的影响,结果表明:当缺口角度减小时,带隙下边界几乎保持不变,带隙上边界升高从而增加了带隙的宽度;振子之间横向或纵向间距增大时,带隙下边界和上边界均上升,带隙变宽,进而优化了声子晶体模型的带隙。同时声子晶体板的缺口设计能够节省材料,从而减轻结构的质量。     

二维声子晶体微腔能带结构的有限元分析与设计

本文基于ABAQUS建立了二维声子晶体体波能带结构的有限元计算方法.该方法首先利用周期性边界条件和Bloch定理,将周期结构的有限元离散特征方程化归到一个周期单胞内的复系数特征方程,然后将其分为实部和虚部两组方程,并在周期单胞边界上应用Bloch定理,求解得到的实数特征方程,获得频散曲线.与已有计算方法相比,该方法在适用性、计算速度、精确度和收敛性等方面具有明显的优越性.在此基础上使用发展的有限元方法分析研究了不同形状的声子晶体微腔的能带结构特性.结果表明这些晶体结构对于特定频率的声波可以将其限制在声子晶体微腔内,在一定环境下有着较好的吸声降噪功能.     

ZCSC和CMSC晶体热学性质的理论研究

采用密度泛函理论计算了ZnCd(SeCN)4(简称ZCSC)和CdHg(SeCN)4(简称CMSC)晶体的声子色散谱、声子态密度,系统研究了这两种晶体的比热容、热膨胀率、热导率、热扩散率等热学性质.理论计算得到常温下ZCSC和CMSC晶体的比热容分别为0.454 J·g-1·K-1和0.374 J·g-1·K-1,而本文通过差示扫描量热仪实验测量这两种晶体的比热容分别为0.460 J·g-1·K-1和0.306 J·g-1·K-1,理论计算与实验结果相符.研究结果还表明ZCSC晶体的热导率及热扩散率均为CMSC晶体的5～7倍,而ZCSC晶体的热膨胀率约是CMSC晶体的1/3,因此ZCSC晶体是热学性质优异抗激光损伤能力强的非线性光学晶体.     

基于散射单元的声子晶体振动带隙研究

硬质芯体及其包覆层构成的复合结构称为散射单元,散射单元按照特定的排列方式可以构成声子晶体.文章采用有限元方法分别计算了立方散射单元构成的一维声子晶体及简单立方结构三维声子晶体的振动特性,结果表明,两种声子晶体的振动带隙有较好的一致性,因此,对三维声子晶体振动带隙的研究可以简化为对一维声子晶体振动带隙的研究.叠加层数、芯体材料对一维声子晶体振动带隙的影响在文中进行了讨论.最后,声子晶体的振动特性测试结果验证了文中的结论.     

立方晶系Ca2Si声子色散和热力学性质的第一性原理计算

采用模守恒贋势和超软贋势两种方法分别计算立方晶系Ca2Si的声子色散关系、声子态密度和热力学特性.运用线性响应方法和有限位移方法确定立方晶系Ca2Si的声子色散关系和声子态密度,得到立方晶系Ca2Si的声子振动模式是各向异性,且立方晶系的Ca2Si是不稳定结构.在声子色散关系确定的基础上分别计算定容热容、焓、熵和自由能随温度的变化关系,得到Cv-T曲线在低温条件下符合德拜第三定律;当T=1000K时,立方晶系Ca2Si的热熔Cr=21J·mol-1 ·K-1;在高温条件下,随着温度的增加Cv→3R.通过分析声子色散、振动关系和热力学特性得到立方晶系Ca2Si的振动系统由声子和电子组成.     

基于进化算法的一维多相声子晶体拓扑优化设计

带隙特性是声子晶体材料和结构的一个重要特征,在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值.控制和调整周期性微结构内的材料布局及属性,可以设计出所需特殊带隙要求的声子晶体.本文通过遗传算法和拓扑优化技术研究了一维三相声子晶体的优化设计,并给出了两个算例研究.结果表明,三相材料能够得到更好的隔振效果,对比两相材料,三相声子晶体能够大幅降低禁带频率,并得到高达99.21;的禁带.可见,利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的.     

二维压电声子晶体中声表面波的四阶散射矩阵理论

采用二维声子晶体四端口模型,提出了四阶散射矩阵理论描述二维声子晶体的方法.首先,考虑声子晶体在平面的二维特性,建立四端口的四阶散射矩阵.为了得到散射矩阵的参数,构建了叉指换能器中间放置声子晶体的器件模型,叉指换能器作为激发和接收端,声子晶体作为传输通道.然后,通过有限元软件计算出模型的电学参数,分别结合叉指换能器和声子晶体的混合矩阵(P矩阵)和四端散射矩阵,推导和计算出四阶散射矩阵的参数值.作为实例,128°YX铌酸锂基片上,制作了叉指换能器和圆柱孔声子晶体点阵,理论和实验上均得到反射、透射和散射系数,实验结果和理论计算结果较为吻合.     

仿生声学超材料的声波控制及水下应用研究进展

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,比如:负质量、负刚度等。声学超材料通过对其声学特性参数的研究和控制可以实现声隐身、波束控制等功能。与传统声学材料相比,声学超材料具有设计性强、拓展性强等优点,可以突破传统声学材料的物理极限,为小尺寸、轻量化结构解决低频减震降噪、低频宽带声波控制等瓶颈问题提供新思路。仿生学是利用生物学原理发展起来的新兴学科。将仿生学与声学超材料相结合,国内外学者开展了大量的研究工作,尤其在空气动力学及流体动力学降噪方面取得了卓越的研究成果。本文简要回顾过去几十年仿生声学超材料的研究进展,并介绍了相关的代表性工作,期望未来仿生声学超材料能够在低频声波控制、水下应用等方面发挥更大的作用和优势。     

A3BGa3Si2O14(A=Ca,Sr;B=Nb,Ta)晶体研究进展

介绍了一类性能优异、结构有序的新型材料--A3BGa3Si2O14(A=Ca,Sr;B=Nb,Ta)单晶,总结了其研究进展,并对该类晶体的生长、结构、热学、光学和压电性能进行了描述.     

基于AlN的体声波滤波器材料、器件与应用研究进展

在5G通信时代,体声波(BAW)滤波器件成为实现高性能射频(RF)滤波的有效解决方案。在当前BAW器件发展最成熟的薄膜体声波谐振器(FBAR)技术和专利被少数几家公司持有的大环境下,对压电薄膜生长、器件的制备工艺等方面进行突破,形成独有的BAW器件技术路线显得尤为重要。本文综述了AlN薄膜的生长、AlN材料在BAW滤波器件的发展、基于AlN的BAW器件的制备及其应用。在国内研究者的努力下,基于单晶AlN的体声波谐振器(SABAR)器件,通过在材料生长方法及制备工艺上的独立自主创新,不仅使BAW滤波器件的性能得到了进一步提升,也给受到国外掣肘的国内射频滤波行业带来了一条摆脱国外“卡脖子”问题的新路线。     

基于二维声子晶体多通道线缺陷结构的定向声激发

提出一种基于声子晶体线缺陷波导的多通道结构来实现声波定向激发.一束入射声波在该结构中传播时被分割成多束分支,这些分支声束到达输出端时具有相等的相位,进而在输出端产生具有高度准直形态的辐射场分布.该辐射场分布的半高宽具有反比于结构中通道数的特点.数值模拟结果与实验结果同时验证了这种结构的声定向效应.相对于大多数已有的声波定向方案,这种结构具有简单从而易于制备的优点.     

La3Ga5SiO14的BAW传播特性

详细推导计算了声体波(BAW)在La3Ga5SiO14(LGS)晶体中分别沿YZ、XY、XZ面传播的纯切变波,准切变波,准纵波的表达式.绘制了LGS晶体在(100)、(010)、(001)这三个主晶面内声的慢度分布曲线图.计算了声速的最大值并与石英进行比较,结果表明LGS晶体的BAW传播速度一般比石英低1000m/s左右.为该晶体在声体波器件等方面的设计和应用提供了一定的理论指导作用.     

薄膜型声学超材料板结构隔声特性分析

针对发动机产生低频噪声引起驾驶员生理异常影响战机飞行品质的问题,提出一种薄膜型声学超材料板结构模型进行减振降噪.采用模态分析法对薄膜声学材料的基本特性进行分析,并结合有限元对平板结构模型隔声机理、隔声量影响因素进行了研究.结果显示:隔声量是弹性波与薄膜相互作用声能量衰减的结果,弹性波衰减速度直接影响隔声性能.结果表明:通过改变结构参数,则第一隔声峰处的隔声量增大,第一波谷的频率变化很小,同时薄膜的第一隔声峰向低频移动.     

基于管状声学超透镜的近场点声源成像研究

在局域共振型声子晶体和负折射理论的相关基础上,结合声透镜发展现状和声成像的需要,提出了一种新型的管状声学超透镜结构并建立了模型;通过层多散射法分析了该透镜内声波的传输过程,然后利用COMSOL Multiphysics软件模拟了近场点声源通过不同厚度的管状声学超透镜后的声波传输和聚焦情况,得到了透射率和反射率的关系曲线,确定了最佳成像效果时透镜的厚度;在此厚度下,观察到入射波和出射波的波形基本接近,弥散现象很弱,很好的验证了该透镜可以实现对近场点声源的高分辨率成像.     

基于二维声子晶体的选频选向加权声波导

本文提出一种基于二维压电声子晶体的声表面波选频选向加权声波导,即在垂直的两个方向上具有不同的晶格常数.为分析其特性,以空气孔/128.YX铌酸锂声子晶体为例,采用有限元方法并结合纵向深度上位移场的分布特点提取出表面波模态,同时采用P矩阵模型和三维有限元方法分析了ΓX和ΓY方向上的传输系数,进一步提取出位移场的传播分布.结果具有很好一致性,同时显示不同晶格加权结构,在特定频段上实现一个方向带通而另一个方向带阻,即具有选频选向的声波导特性,证实了提出的选频选向加权声波导的可行性.     

Elastic properties of zinc tris(thiourea) sulphate in a wide temperature range studied by Brillouin spectroscopy

The elastic properties of the zinc tris (thiourea) sulphate crystal were studied by Brillouin spectroscopy in the range 80 – 300 K. The measurements were made on single crystals obtained by the isothermal method. The temperature dependences of the Brillouin shift were determined for the crystal in the principal directions and in a few mixed directions on a tandem type spectrometer. The results revealed anomalies in the bulk wave propagation rate and in a few elastic constants at about 138 K. (© 2007 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)