局域共振声子晶体的离散化及其线缺陷研究

提出了一种局域共振声子晶体基本模型,将其散射体离散化,研究了二者的能带结构及隔声曲线.采用有限元法结合超原胞技术,将离散模型引入基本模型组成的超原胞中,研究了多种形式的线缺陷对能带结构及隔声曲线的影响.结果表明,离散模型比基本模型具有更宽的带隙,同时隔声效果更好;通过引入线缺陷,可以在能带结构中产生缺陷带,声波被局域在缺陷处只能沿缺陷传播,缺陷带的数量及位置受到线缺陷形式的影响;同时,线缺陷形式影响隔声效果,横向和纵向复合线缺陷隔声效果最好.研究结果可以为声子晶体的实际工程应用提供一定的理论参考.     

二维声子晶体线缺陷聚声效应研究

基于数值方法研究了含线缺陷的二维声子晶体的聚声效应.利用结合超元胞技术的平面波展开法及有限元方法,分别对线缺陷二维声子晶体的能带结构及其内部声场分布规律进行了计算分析;以线缺陷轴线上声压梯度放大倍数表征聚声效果,分析了声子晶体结构参数对该放大倍数的影响规律.结果表明,填充率大、结构规模适当的二维线缺陷声子晶体具有更好的聚声效果;线缺陷的理想位置应在声子晶体的几何轴线上.此结果可为高效声能量回收器件的设计提供理论支持.     

音叉型声子晶体能带结构研究

利用超元胞法研究音叉型散射体构成的声子晶体的声波带结构,分析音叉型散射体的几何参数(板的厚度,圆柱体的半径和高)对能带结构的影响.研究结果表明:这种新型的声子晶体比传统声子晶体具有更优的带隙,而且带隙的调节机制更为简单,结果还表明超元胞法是研究这一类声子晶体能带结构的一种有效方法.     

二维声子晶体多点缺陷局域模的分离特性

以二维铝圆柱/空气正方格子声子晶体为研究对象,利用平面波展开法结合超原胞的方法研究了点缺陷局域模的分离特性及模场分布特性.结果表明,多点缺陷引入将使局域声子因散射波之间的干涉而产生局域模的分离,且分离程度与多点缺陷所形成腔的几何形状、封闭程度以及边缘的构造有关;带隙中局域模的模场分布与它在带隙中的位置有关.点缺陷局域模的分离特性在声方向滤波器、窄带声波导方面将有很大的应用价值.     

各向异性声子晶体能带结构的计算

边界元法被用于计算各向异性二维声子晶体的能带结构,该体系由各向异性或各向同性夹杂嵌入各向同性或各向异性基体中而形成.在一个单胞内分别对基体和散射体建立边界积分方程,在基体边界上施加Bloch条件,然后代入界面条件得到一个线性的特征值方程.通过对不同体系声子晶体能带结构的计算,并和其它方法的计算结果进行比较,说明边界元法可以有效准确地计算各向异性声子晶体的能带结构;而且,与各向同性体系相比,正交材料旋转角的变化对面外模态的能带结构有一定影响.     

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.     

不同材料构成声子晶体带隙特性研究

基于平面波展开法研究不同材料构成声子晶体带隙特性.数值模拟得到碳散射体与不同基体材料构成正方形声子晶体XY模式的能带结构,环氧树脂基体与不同散射体材料构成正方形声子晶体XY模式的能带结构,正方形和三角形结构声子晶体Z模式的能带结构.结果表明增加散射体与基体的密度比,更容易出现带隙,三角形结构相比正方形结构更易形成较宽带隙.研究结论为声子晶体器件制作提供理论依据.     

一种计算层状声子晶体弹性波带结构的无网格弱形式RBF方法

本文提出了一种基于紧致径向基函数(RBF)的无网格局部弱形式方法来计算层状声子晶体的能带结构.位移函数由一组径向基函数表示,利用变分原理,考虑周期边界条件,导出了单位单元RBF方法的一般形式.通过求解矩阵特征值问题可以得到能带结构.用有限元法对新的弱形式RBF方法进行了验证.对于不同的声阻抗比和长度比,通过数值算例进行讨论,显示所提出的弱形式RBF方法与有限元和强格式RBF方法相比计算层状声子晶体的能带结构的效率.     

具有完全带隙的异质结构声子晶体的声波导特性

利用正方形和三角形结构声子晶体具有范围较大完全带隙的特性,设计了新型正方形晶格和三角形晶格构成的声子晶体异质结.采用平面波展开和超原胞相结合的方法研究了该异质结的能带结构特性.给出异质结的结构和相应的能带图,分析了异质结界面传导模,研究两侧结构作横向拉开和侧向滑移时对传导模的影响,讨论这些结构的实际可行性.计算结果表明,没有任何晶格移动,该结构异质结在完全带隙中就有传导模存在,界面两侧发生相对移动时,带隙内传导模的数量及位置都发生变化.     

周期性声学栅对声子晶体相空间的调控研究

基于周期性声学栅修饰的二维声子晶体,本文从理论上计算其能带结构、等频率色散线,详细讨论引入周期性声学栅后晶体相空间的各种改变.计算结果表明:周期性声学栅的引入能够灵活调制声子晶体的色散关系,更加有效地利用晶体中存在的各种模式,由此可以实现一些较为新颖的声波人工操控.     

光子晶体多组元缺陷态问题研究

缺陷态光子晶体可以用于制作良好的谐振器、偏振器、滤光器等光学器件,具有重要的应用价值。本文发展了光子晶体缺陷态问题的PG有限元界面问题计算方法,有效地处理了各种不同组元体系、几何结构、界面形状、材料属性以及模态的光子晶体缺陷态问题。数值结果表明,二组元结构单点缺陷对带隙的影响较小,只是使局部范围内的波继续传播而产生一条缺陷带,多点缺陷使一些特定范围内的波可以传播而产生多条缺陷带,线缺陷产生的影响较大,可以使整个禁带消失。结合线缺陷与点缺陷,波导结构中的侧点缺陷可以有效地应用于光子晶体阻带内诱导窄通带或在波导的通带内诱导非常窄的阻带。三组元结构引入了不均匀介质、复杂介质形状以及不同几何结构的缺陷态。通过计算与分析发现Ω₃区域的介质形状对结果影响比较有限,表面层越不光滑禁带越窄,n型缺陷态在TM模中的高频区域更容易产生禁带。对于TE模来说,n型与v型的缺陷态更容易产生禁带。     

流固耦合二维声子晶体的数值模拟和实验研究

为了研究流固耦合声子晶体的特性,本文应用有限元方法进行数值模拟并通过实验进行了验证.以二维钢柱/水正方晶格声子晶体为研究对象,利用ABAQUS有限元软件计算得到了完好周期和线缺陷情况下的传输谱和声压分布.同时利用脉冲响应技术进行实验测量,得到了以上两种情况下的带隙范围.结果表明,两种方法结果吻合得很好,说明有限元方法在计算流固耦合声子晶体问题上的优越性.     

LGAS晶体的微结构及声表面波特性研究

本文采用第一性原理计算了La3Ga5-xSiAlxO14 (LGAS)压电晶体几何结构、能带和态密度.并研究了其在X、Y和Z切型的声表面波速度、机电耦合系数及能流角.当x=0.5时,构建了La3Ga4.5SiAl0.5O14晶体的1×1×2超晶胞结构,发现A1原子替代2d四面体位置的Ga原子时体系总能量最低,体积最小,因此是最稳定的状态.与石英相比,LGAS具有声表面波速度较低、机电耦合系数较大且存在能流角为零的切型等优点.掺Al元素降低了成本但对结构和声表面波特性影响不大.Y切0是较好的切型,可用于制备声表面波器件.     

一维声子晶体缺陷态的研究

用特征矩阵法计算了声波在包含缺陷的一维声子晶体中的传播规律.其带隙结构与不包含缺陷结构的带隙结构相比有明显的不同,系统的透射率不仅与掺杂或替换的介质种类和层数有关,而且与介质的厚度有关.对于通带中的固定频率,透射率随介质厚度的增加呈周期性变化.     

单面柱局域共振声子晶体低频带隙特性分析及结构改进研究

基于有限元法对单面柱局域共振声子晶体进行带隙特性分析,研究了结构参数对该类型声子晶体的影响。结果表明:随着散射体高度的增加,单面柱声子晶体的第一完全带隙的起始频率逐渐降低,带宽逐渐增大;随着基板厚度的增大,单面柱声子晶体的起始频率逐渐升高,截止频率先增大后减小。并且在经典单面柱声子晶体的基础上,组合了两种新型的三组元单面柱声子晶体结构:嵌入式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅰ)和粘接式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅱ)。通过对其带隙特性的分析得出:这两种新结构与经典的单面柱声子晶体相比,都具有更低频的带隙,这对于低频减振降噪是非常有利的。本文的结果将对实际的工程应用提供一定的理论指导。     

二维连接板式声子晶体低频带隙仿真研究

为了能够控制低频噪声,设计了一种二维连接板式声子晶体。运用有限元法计算了该结构的色散曲线及位移场。结果表明,所设计结构在29.37~354.07 Hz存在带隙。与文献模型相比,该结构的起始频率更低,带隙更宽,说明连接板结构声子晶体更容易获得低频带隙。通过位移场的振动模态分析,并结合质量-弹簧模型,解释了带隙产生的原因。在此基础上,讨论了连接板宽度和硅橡胶包覆层开孔半径大小对带隙的影响,随着连接板的宽度减小以及硅橡胶包覆层上孔的半径减小,该结构的带隙逐渐变宽。     

超胞声子晶体板的轻量化设计与研究

由于局域共振型声子晶体板具有优秀的低频声学特性,相关的研究越来越丰富,但多为实验室环境下的研究,对其工程应用方面的轻量化研究存在不足。因此,本文以变电站低频噪声为应用背景,提出一种局域共振型声子晶体板轻量化设计方法。基于此方法,设计出一种针对变电站噪声频谱特性的轻量化超胞声子晶体板。研究发现,此声子晶体板在50 Hz和100 Hz同时具有明显的声传输损失峰,隔声量分别为67 dB和48 dB,并通过振型位移及声压级复合声强流线图对其隔声机理进行了分析研究。本研究对今后声子晶体板的工程应用和变电站噪声控制都具有指导意义。     

双迷宫型通道Helmholtz周期结构的低频带隙机理及隔声特性

为了解决飞机舱室中的低频噪声问题,本文设计了一种双迷宫型通道的Helmholtz周期结构。迷宫型开口通道的设计能够大大增加Helmholtz腔开口通道的长度,有效降低低频带隙下限,双通道的设计能够增加声子晶体局域共振的区域,可以增加低频带隙数目。本文采用有限元法(FEM)得到了该结构在0~500 Hz频率范围内的能带结构及隔声特性,经过深入研究发现,该Helmholtz 周期结构在0~500 Hz范围内存在多个低频带隙,且在低频范围内表现出较好的隔声特性。为了揭示其带隙产生机理,本文通过声-电类比方法建立了该结构的等效电路模型,并通过有限元法和等效电路模型,对低频带隙影响因素进行了详细分析。结果表明,增加开口通道的长度能够降低带隙起始频率,较小的晶格常数有利于拓宽带隙宽度。本文的研究进一步探索了声子晶体结构设计对带隙的影响,为解决飞机舱室的低频降噪问题提供了新方法。