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.     

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.     

声子晶体禁带特性及局域共振现象的试验研究

以弹性(亚克力柱/空气型)及粘弹性(硅橡胶/空气型)声子晶体为研究对象,研究了散射体填充率、形状、排列方式、材料性质、缺陷形式等对声子晶体禁带特性及局域共振现象的影响.结果表明:随着层数的增加,带隙频率逐渐靠近理论值,但达到一定层数后,其影响会减弱;与正方柱形比较,圆柱形声子晶体得到的带隙更宽,而与弹性声子晶体相比,粘弹性声子晶体更易得到低频宽带隙的效果;声子晶体晶体阵列个数对共振频率的影响并不大,而散射体形状、填充率、及材料性质对共振频率有一定影响,尤其是粘弹性材料对提高局域共振的品质因子有非常大的作用;多点缺陷的引入对缺陷局域模态的分离有一定贡献,但多点缺陷间隔较近时会降低局域模态的分离效果.     

一维多孔硅声子晶体的带隙研究

多孔硅的力学性质随多孔度有较大变化,因此可以用多孔硅材料来构建声子晶体结构.本文将在理论上讨论一维多孔硅声子晶体的带隙,设计出宽禁带声子晶体结构,分析其相关的物理特性.计算结果表明薄的高孔度插入层将获得宽的带隙,而声子晶体异质结能够获得更宽带隙.     

固-固结构声子晶体中弹性波的禁带及其转型

引入四维波矢的概念,推导出弹性波斜入射固-固结构声子晶体的转移矩阵以及透射系数公式.利用这些公式计算了纵波和横波斜入射固-固结构声子晶体时纵波和横波的透射系数.结果表明:当纵波斜入射时,在透射波中纵波会出现禁带,并且也出现了纵波向横波的转型,随着入射角的增大转型越明显.当横波斜入射时也会出现类似于纵波斜入射时的现象.这些公式成功地解决了弹性波斜入射固-固结构声子晶体的传输问题和转型问题.     

二维准分形结构声子晶体透射特性的数值研究

本文用时域有限差分方法研究了几种具有相似几何结构的准分形声子晶体的透射特性.计算了由水中钨柱组成的二维准分形结构声子晶体的ΓX和FM方向禁带,计算表明,对于钨柱分布在水背景中的情况,这种具有正方形点阵特点的准分形声子晶体存在多频带隙的特点,能带随级数的增大整体地趋向于低频部分.而且这种准分形声子晶体带隙的宽度及中心频率会随声子晶体单胞内结构单元几何形状的改变而改变.     

表面局域态对一维声子晶体中水平剪切波传输特性的影响

利用传递矩阵法,研究了一维声子晶体表面存在的表面局域态对水平剪切波传输特性的影响。由于表面局域态的存在,声波的透过率出现共振峰。共振峰的极值与入射角度和声子晶体层数有关,合适的入射角度和层数可以使声波完全透射。当入射角在一定范围内连续变化时,在较宽频率范围内均出现较大透过率。声子晶体的这一特性可以应用于高性能的阻抗匹配材料和声波滤波器中。     

一维固-液声子晶体表面消逝波传播模式

为了研究一维固-液声子晶体,应用Bloch定理和边界条件解析推导出一维固-液声子晶体的表面消逝波传播模式存在条件的方程.在一定条件下,一维固-液声子晶体存在表面模式.对表面模式,声波位移场集中在半无限一维固-液声子晶体的表面,在背景材料和声子晶体内部声波衰减.在所有层中,一维固-液声子晶体的表面模式均具有消逝波性质的位移场.随后的数值研究证明了分析结果.     

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.     

固-液声子晶体中纵波缺陷模的相干叠加方法

利用波的相干叠加原理推导出一维固-液掺杂声子晶体中纵波缺陷模的透射率公式和频率公式,即建立了纵波缺陷模的相干叠加方法.将纵波缺陷模的相干叠加方法与转移矩阵法和共振理论进行了比较研究,结果表明相干叠加方法和转移矩阵法计算出的缺陷模频率随杂质厚度的变化特征是一致的,相干叠加方法和共振理论推导出的缺陷模频率公式是一致的.     

一维光子晶体结构参数的随机扰动对其光学特性的影响

用特征矩阵法研究结构参数存在随机扰动的情况下一维光子晶体的光学特性, 无论是加工过程中介质层几何厚度的误差, 还是介质层折射率的随机波动都会影响一维光子晶体的光学特性.随机扰动对一维光子晶体带结构高频部分影响较大, 造成带结构消失, 甚至全部变成禁带; 随机扰动对光子晶体缺陷模式的影响是使缺陷模的位置发生随机平移, 平移的程度与随机度有关, 介质层折射率的随机变化要比介质层厚度的随机变化对缺陷模位置的影响要大; 周期数目的增加可以部分地减小缺陷模的平移, 但同时会使缺陷模透射率减小,增加缺陷层厚度可以有效降低随机扰动对光子晶体缺陷模式的影响. 本文的研究将对一维光子晶体的设计工作提供有价值的参考.     

固-流结构声子晶体中弹性波能带的色散研究

推导出弹性波斜入射固-流结构声子晶体的转移矩阵和色散公式.利用色散公式研究了弹性波在固-流结构声子晶体中的能带特性.结果表明,介质厚度固定时,弹性波中会出现多级禁带,禁带的频率中心随入射角的增加而向高频方向移动,入射角增加到一定值后会分裂出新的禁带,分裂出的禁带频率宽度随级数的增加而增大.入射角固定时,禁带的频率宽度随介质厚度近似成反比变化,分裂出的禁带频率宽度随介质厚度的增加而减小.     

基于普通介质无缺陷一维光子晶体高Q值多通道滤波器

设计用常规介质构成的无缺陷的一维光子晶体,用特征矩阵法研究光波在其中的传输特性.在消逝波和传输波相互耦合的传播模式条件下,对特定的入射角度,有多个分离的高Q值频道可以让光波传播.因此可以将该结构用作多通道高Q值频率滤波器.通道位置和数目可以通过入射角度和结构的周期数目进行调节.     

一维固-液型随机失谐声子晶体中波的传播

本文研究了声波在一维固-液型随机失谐声子晶体中的传播,引进局部化因子的概念研究了结构的带隙特性和局部化特征.给出了局部化因子的计算表达式并用传递矩阵法进行了计算,考查了平面波以任意角度入射的情形.结果表明:失谐度对高频区的频带结构有较大的影响,固-液型声子晶体与固-固型声子晶体的频带结构有很大差别.     

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。     

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.     

二维嵌套复式结构声子晶体的带隙研究

用小尺寸多圆柱阵列替代简单晶格中的每个单圆柱基元,构成一种全新的嵌套复式正方周期结构二维声子晶体.借助于平面波法计算了其带隙结构,得出了带隙分布图,讨论了基元阵列的内组合方式及总填充率对带隙范围和带隙数目的影响,并与简单晶格进行比较,从理论上验证了嵌套复式声子晶体利用小尺寸圆柱阵列展宽带隙及增加带隙数目的可行性.     

Kerr非线性对一维光子晶体中场分布的调制

本文研究Kerr非线性对一维光子晶体中场分布的影响.计算光子晶体中加入Kerr非线性材料后,入射光强及频率对光子晶体中场分布形态的调制.当入射光强较小时,场分布的节点个数随光量子阱中束缚态频率的下降而增加;当光强足够强时,节点情况不会发生本质的改变,但由于非线性的作用,波峰会发生分裂.