非轴对称五模超材料低频声波调控分析*

为实现轻质材料对低频声波的有效调控,在传统对称双锥五模超材料构型的基础上,以引入掺杂材料、飞镖型结构的方式构造了具有局域共振特性的非轴对称五模超材料单胞,通过能带分析发现其具有较宽的单模区域与低频性更优的声子禁带。此外还探究了飞镖结构节点圆半径、锥角和掺杂材料模量对能带结构与品质因数的影响。研究结果表明,单胞品质因数随着掺杂材料杨氏模量的提升而增大,单胞对低频声波的调控能力随着结构对称性的降低而变强。所设计的非轴对称单胞单模区域绝对带宽增大到原来的2.5倍,第一带隙相对带宽提升了57％。这为用于低频声波调控的五模超材料单胞构型设计提供了思路。     

基于遗传算法的五模材料分层优化*

由于超材料的微结构尺度不能忽略,利用超材料微结构所集成的器件等效参数不是连续分布的,而是呈离散分布的。因此在利用超材料设计声学器件的过程中,需要对器件进行分层离散化,而分层方案的选取往往会影响器件的工作效果。该文基于五模材料水下隐身衣的设计理论,提出了一种基于遗传算法的五模材料隐身衣分层优化策略,并分别对优化前和优化后的分层隐身衣做了声学仿真。仿真结果表明采用优化策略后,隐身衣背景声场的散射能量和反射能量均有大幅度降低,并且对窄带探测信号和宽带探测信号均有较好的隐身效果,因此该分层优化策略能够显著提升隐身衣的隐身效果。该文所提出的分层优化策略为提升五模材料隐身衣性能提供了理论支持,并可以进一步推广至其他超材料器件的微结构设计中。     

二维磁流变包层声学超材料*

该文构建了以钨为内核、环氧树脂为基体、磁流变弹性体作为包层的二维局域共振型声学超材料,采用有限元方法分析了声波的能带结构、透射率、振动模。研究结果表明:利用外磁场可以调控磁流变弹性体包层的弹性模量,从而调节声学超材料带隙的中心位置和宽度,还可以通过改变磁流变弹性体包层的厚度来调节带隙的中心位置和宽度。这些方法对可调型声学超材料的设计有重要的参考意义。     

可用于隔声和带隙调控的五模式超材料

为了利用在声学领域极具应用前景的双锥型五模式超材料进行隔声降噪,提出一种双锥宽直径不全同型五模式超材料.利用有限元方法分析了其声子能带结构、各波模相速度、品质因数随结构与材料参数的变化关系,在实用性和稳定性上与窄直径不同型五模式超材料作了比较.宽直径不全同型五模式超材料在保持原始五模式结构单模传输能带的前提下,还产生了更低频、宽带的三维完全带隙,且结构更稳定,重量更轻。双锥型五模式超材料在特定宽直径不同时具有三维完全带隙,品质因数主要由结构参数决定,各材料参数只是不同程度地影响带隙的绝对宽度和位置.研究结果表明双锥宽直径不全同型五模式超材料有望用于带隙调控和隔声。     

二维声子晶体异质位错结的界面传导模研究

以二维水银／四氯化碳体系正方格子声子晶体为研究对象，采用平面波法结合超元胞的方法研究了声子晶体异质位错结的能带结构及三种形式的位错对带隙内传导模影响。结果表明，对于原型异质结，在带隙中不会出现界面传导模；横、纵向及横纵向同时作用的位错效应，在界面处形成传导模，可以使处于禁带频率范围内的声波沿位错通道进行传播，从而形成声波导。     

圆柱形分层五模材料声学隐身衣的理论与数值分析

声学隐身衣物性参数分布的连续对制备造成了很大困难, 需要采用分层的方法进行近似. 研究分层对隐身衣性能的影响具有重要意义. 本文首先推导了圆柱形分层声学隐身衣散射声压场的理论解, 然后通过数值算例验证了理论推导的正确性, 最后针对层数、层厚分布对隐身衣性能的影响进行了计算研究. 结果表明, 选取恰当的层数和层厚分布可在不增加制备难度的同时改善隐身衣性能.     

研究一维掺杂声子晶体缺陷模的解析方法

为了对一维掺杂声子晶体的缺陷模进行解析研究,利用多波束干涉原理和布洛赫定理,推导出一维掺杂声子晶体的缺陷模频率的解析公式.利用它对一维掺杂声子晶体的缺陷模进行了解析研究,得到了缺陷模频率的变化规律.该方法克服了其他方法不能对缺陷模进行解析研究的不足,是一种研究一维掺杂声子晶体的缺陷模的精确、有效方法. 关键词： 声子晶体 声波 缺陷模 解析方法     

超材料型周期管路声传播特性及低频宽带控制

船舶管路系统噪声的低频宽带控制是船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。将超材料理论引入船舶管路系统的结构设计,构造了具有低频声波带隙的一维周期管路结构,并给出了周期管路声波带隙和声波透射系数的计算方法。计算结果表明,该周期管路同时存在声波布拉格带隙和局域共振带隙。在这两种带隙频率范围内,声波在系统中的传播将被衰减抑制。进一步发现,布拉格和局域共振带隙在一定条件会发生耦合,出现带隙耦合展宽现象,且两种带隙存在精确耦合条件。利用带隙耦合的展宽效应和低频设计,可实现声波在低频范围内的传播操控,从而达到船舶管路系统低频噪声宽带控制的目的。     

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.     

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。     

二维周期性复合介质中声波带隙结构及其缺陷态

用平面波展开方法和超元胞方法,研究了钢柱体在水中按周期性排列时声波的能带结构.讨论了钢柱体的横截面形状(圆形和正方形)、柱体的体积填充率及缺陷等因素对声波带隙结构的影响. 关键词： 声波 带隙 缺陷态     

水波在周期性钻孔底部结构中的传播及其能带

采用平面波展开法计算了浅水表面波在底部按周期性钻孔结构下的能带,找到了完全带隙的出现.通过考虑方形孔按正方晶格排列、圆形孔按正方晶格和六角晶格排列等三种钻孔模型,发现带隙的数量、宽度、频率、位置与孔的面积、形状、方位角及其排列晶格等都有关.且这些规律与光子/声子晶体的情况相类似. 关键词： 周期性 水波 能带 带隙     

Study on the anisotropic photonic band gaps in three-dimensional tunable photonic crystals containing the epsilon-negative materials and uniaxial materials

In this paper, the properties of anisotropic photonic band gaps (PBGs) for three-dimensional (3D) photonic crystals (PCs) composed of the anisotropic positive-index materials (the uniaxial materials) and the epsilon-negative (ENG) materials with body-centered-cubic (bcc) lattices are theoretically studied by a modified plane wave expansion (PWE) method, which are the uniaxial materials spheres inserted in the epsilon-negative materials background. The anisotropic photonic band gaps (PBGs) and one flatbands region can be achieved in first irreducible Brillouin zone. The influences of the ordinary-refractive index, extraordinary-refractive index, filling factor, the electronic plasma frequency, the dielectric constant of ENG materials and the damping factor on the properties of anisotropic PBGs for such 3D PCs are studied in detail, respectively, and some corresponding physical explanations are also given. The numerical results show that the anisotropy can open partial band gaps in such 3D PCs with bcc lattices composed of the ENG materials and uniaxial materials, and the complete PBGs can be obtained compared to the conventional 3D PCs containing the isotropic materials. The calculated results also show that the anisotropic PBGs can be manipulated by the parameters as mentioned above except for the damping factor. Introducing the uniaxial materials into 3D PCs containing the ENG materials can obtain the larger complete PBGs as such 3D PCs with high symmetry, and also provides a way to design the tunable devices.     

一维光子晶体光学特性的复平面波展开法研究

应用复平面波展开法对一维光子晶体的光子带隙, 透射特性进行了分析. 通过对色散关系和透射系数的数值计算发现一维光子晶体周期结构个数以及折射率分布对光学晶体透射系数以及光子带隙的影响. 对于含有整数个周期结构的光子晶体有共振点出现在光子帯隙外的频率范围内, 共振点的个数比周期结构个数少1. 带隙倾斜斜率等于折射率的比值. 折射率比值越大, 带隙的范围越大.     

表面声波传感器及其应用

本文简要介绍多种表面声波传感器的结构、特点、应用及其研究进展概况。表面声波传感器依其波型分类,主要包括瑞利波、水平切变声板波、乐甫波和兰姆波传感器;其应用领域根据作用特点大致可分为物理传感器和化学、生物传感器,前者较易实现,后者特异性强,需要针对具体情况作更细致研究。由于表面声波的传播速度和相位对周围环境的参量变化极为敏感,因此有关传感器具有很高的灵敏度和广泛的应用领域。     

Temperature dependence of biaxial strain and its influence on phonon and band gap of GaN thin film

Hexagonal GaN epilayer grown on sapphire substrate by metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) is studied using Raman scattering and photoluminescence in a temperature range from 100\,K to 873\,K. The model of strain (stress) induced by the different lattice parameters and thermal coefficients of epilayer and substrate as a function of temperature is set up. The frequency and the linewidth of $E_2^{\rm high}$ mode in a GaN layer are modelled by a theory with considering the thermal expansion of the lattice, a symmetric decay of the optical phonons, and the strain (stress) in the layer. The temperature-dependent energy shift of free exciton A is determined by using Varshni empirical relation, and the effect of strain (stress) is also investigated. We find that the strain in the film leads to a decreasing shift of the phonon frequency and an about 10meV-increasing shift of the energy in a temperature range from 100\,K to 823\,K.     

空间声场全息重建的波叠加方法研究

提出了基于波叠加法的近场声场全息技术，并将其用于任意形状物体的声辐射分析.在声辐射计算问题中，边界元法是通过离散边界面上的声学和位置变量来实现，而波叠加方法则通过叠加辐射体内部若干个简单源产生的声场来完成.因而，基于波叠加法的声全息就不存在边界面上的参数插值和奇异积分等问题，而这些问题是基于边界元法的声全息所固有的.与基于边界元法的声全息相比较，基于波叠加法的声全息在原理上更易于理解，在计算机上更容易实现.实验结果表明：该种全息技术在重建声场时，具有令人满意的重建精度. 关键词： 声全息 逆问题 波叠加方法 正则化方法