二维点缺陷声子晶体中缺陷填充率对能带的影响

用超元胞的平面波展开法,计算了存在点缺陷的二维水/水银声子晶体的能带结构和压强分布。通过改变5×5超元胞中心圆柱体的半径而引入缺陷,发现缺陷填充率（F_d）小于或大于正常柱体填充率（F₀）一定数值时（如当F₀=0.35,F_d<0.10或F_d>0.50）,都将出现缺陷态,且F_d对缺陷态的频率有重要影响。还比较了当F_d=0.03和F_d=0.90两种情况下缺陷态的压强分布,计算结果表明压强分布均具有局域性,F_d的大小对单模缺陷态的局域程度有影响,而对二重简并模无显著影响。     

平板二维声子晶体声波能带结构研究

利用超元胞法,研究由钢板上生长有限长度的钢柱体形成的散射体嵌入环氧树脂基体中所构成的平板二维声子晶体的声波能带结构,分析散射体的几何参数如柱体的高、半径和板的厚度对声波带隙的影响。研究结果表明:(1)这种新型的声子晶体具有很宽的带隙,且带隙出现在低频范围内;(2)散射体的几何参数对带隙的宽度有很大的影响,它们是控制带隙宽度的主要因素。     

二维复式格子声子晶体带隙结构特性

借助于平面波展开法分析了二维复式格子声子晶体能带结构，计算了铝合金柱体按周期性结构排列在空气中形成的二维固/气复合体系的声子晶体，给出了复式蜂窝格子和复式Kagome格子的能带结构，进而对比分析了复式格子和简单格子的能带结构特性.结果表明，与简单格子相比，复式格子的带隙出现在频率相对较低的位置；在f=0.091—0.6046范围内，将声子晶体排列为复式格子要优于简单格子，可以得到更宽带隙.此外，引入了带隙分布图，讨论了填充系数f对带隙数目、带隙宽度以及带隙上下边界频率的影响. 关键词： 声子晶体 复式格子 带隙 平面波算法     

应变对二维蜂巢晶格光子晶体能带结构的影响

基于平面波法,本论文对应变引起的二维蜂巢晶格光子晶体的能带结构进行了数值计算。选取的两个方向分别是锯齿型边界(zigzag)方向和扶手椅型边界(armchair)方向,在这两个典型方向上对二维蜂巢晶格进行了正负各20%的单轴应变。由于应变导致的对称性破缺,能带结构会有显著的变化。在沿锯齿型边界方向上,TE模带隙随着晶格被拉伸逐渐减小,TM模带隙在应变量大于16%时消失。对于沿扶手椅型边界方向,TE模带隙在压缩15%以上时逐渐减小,在其他应变量的情况下几乎保持不变;TM模带隙在应变量大于18%时消失。这些结果对于完善应力工程和设计二维光子晶体器件有重要的指导意义。     

晶格中心插入体的对称性及取向对二维声子晶体带隙的影响

以二维钢/气体系声子晶体为模型,采用平面波法研究了圆柱正方及六角晶格中心添加插入体的对称性及取向与带隙的关系,给出了四方、六方、八方及圆柱插入体结构的带隙分布图及带隙随柱体取向的变化关系图.发现在低填充率条件下,插入体的截面形状与晶格类型相同时最有利于能带简并态的分离而获得带隙,但填充率较高时,采用高对称性的插入体可以获得最宽的带隙.正方晶格中心插入体取向对带隙的影响要比在六角晶格中更为显著.对四方柱正方晶格声子晶体的研究表明,仅旋转原柱体要比在其中心插入柱体后旋转更容易获得低频宽带隙,单独运用添加柱体或旋转非圆柱体来降低晶格对称性以获取低频带隙的方法要比同时使用两种方法效果更好.此外,从机理上对计算结果进行了解释.     

二维声子晶体中简单旋转操作导致的拓扑相变

构建了一种简单的二维声子晶体:由两个横截面为三角形的钢柱所组成的复式元胞按三角点阵的形式排列在空气中,等效地形成了一个蜂巢点阵结构.当三角形钢柱的取向与三角点阵的高对称方向一致时,整个体系具有C_(6v)对称性.研究发现:在保持钢柱填充率不变的条件下,只需要将所有三角柱绕着自己的中心旋转180°,就可实现二重简并的p态和d态在布里渊区中心Γ点处的频率反转,且该能带反转过程实质上是一个拓扑相变过程.通过利用Γ点的P态和d态的空间旋转对称性,构造了一个赝时反演对称性,并在声学系统中实现了类似于电子系统中量子自旋霍尔效应的赝自旋态.随后通过k·p微扰法导出了Γ点附近的有效哈密顿量,并分别计算了拓扑平庸和非平庸系统的自旋陈数,揭示了能带反转和拓扑相变的内在联系.最后通过数值模拟演示了受到拓扑不变量保护的声波边界态的单向传输行为和对缺陷的背向散射抑制.文中所研究的声波体系,尽管材料普通常见,但其拓扑带隙的相对宽度超过21%,比已报道的类似体系的带隙都要宽,且工作原理涵盖从次声波到超声波的很大频率范围,从而在实际应用上具有较大的优势和潜力.     

基于平面波算法的二维声子晶体带结构的研究

介绍了平面波算法计算声子晶体带结构的分析过程，计算了二维双组分液相体系声子晶体的带结构.结果表明，四氯化碳/水银体系比水银/四氯化碳体系更容易产生带隙.随分散相填充分数f的增加，四氯化碳/水银体系声子晶体带隙宽度ΔΩ先增加，后减小，当f=0229时，有最大值ΔΩ=0549；水银/四氯化碳体系的带隙宽度一直增大，当f=0554时，有最大值ΔΩ=0515；f一定时，改变分散相单元的几何尺寸和点阵常数，带隙宽度ΔΩ保持不变. 关键词： 声子晶体 声子带隙 平面波算法 带结构     

正方点阵上Fibonacci超元胞声子晶体的带结构

用平面波展开方法研究了水柱体作为填充物, 按照二维Fibonacci排列成超元胞填充在Hg基体中构成的声子晶体的声频带结构. 结果发现, 随着超元胞中准晶格常数的变化, 各个能带均出现三分裂. 对声场分布的研究发现了居间态的存在. 这些现象体现了准周期结构的特征. 关键词： Fibonacci排列 声子晶体 能带结构     

小波元方法在声子晶体周期结构中的应用

将双正交小波系统和谱元法的思想结合得到一般有界区域中的双正交小波元,将小波元的边界适应性推广到一阶微分的情形,通过匹配得到严格满足边界条件的小波基函数;基于小波元发展一种一维声子晶体能带计算方法.该方法利用声子晶体本身的结构特点,兼顾小波在数值分析中的优势和边界条件的满足,与周期小波法相比,具有更高的计算精度和计算效率.     

椭球三维液态声子晶体完全声波禁带研究

弹性波在声子晶体中传播时，会产生一定的频率禁带，声和振动在禁带中被禁止传播。本文将椭球散射体引入三维声子晶体中，采用平面波展开法计算了该系统的声波禁带结构。对于不同椭球半径的系统，其声波禁带的位置与大小有很大不同。结果表明：当晶格常数和填充率确定时，禁带受到椭球半径的影响；当确定椭球体的某一个半径和填充率时，第一禁带的最大值出现在另2个半径相等的情况下。     

二维8重固-流型准周期声子晶体带隙特性研究

针对二维8重固-流型(钢-水)准周期声子晶体,通过实验方法测试得到了不同大小准周期系统的透射谱,并利用有限元方法计算了准周期体系的频散曲线和透射谱.结果显示,实验与有限元方法所得透射谱结果基本符合,但有限元方法得到的透射谱显示的带隙特性更为明显;二维固-流型8重准周期声子晶体选用包含其中心拼图在内的最小超元胞可以近似计算整个准周期结构的频带结构.     

声波在二维固/流声子晶体中的禁带特性研究

采用时域有限差分法(FDTD),分析了声波在二维四方点阵铝/空气组合声子晶体中的禁带特性,并利用实验测试验证了理论分析的正确性.在此基础上研究了两种不同声阻抗率比固(实心圆柱和空心圆管)/流系统声子晶体的禁带特性.对于实心圆柱体,分析了有限尺寸结构声子晶体在传播方向上的层数对声波传播特性的影响,得到了这两种系统在不同填充率下取得最大声波禁带宽度所需的最少层数.同时指出,在低声阻抗率比条件下,对于空心圆管填充物,通过选取适当的半径比,可以获得比实心柱体更宽的方向带隙.     

The Brillouin zones and band gaps of a two-dimensional phononic crystal with parallelogram lattice structure

We present a detailed theoretical study on the acoustic band structure of two-dimensional(2D)phononic crystal.The 2D phononic crystal with parallelogram lattice structure is considered to be formed by rigid solid rods embedded in air.For the circular rods,some of the extrema of the acoustic bands appear in the usual high-symmetry points and,in contrast,we find that some of them are located in other specific lines.For the case of elliptic rods,our results indicate that it is necessary to study the whole first Brillouin zone to obtain rightly the band structure and corresponding band gaps.Furthermore,we evaluate the first and second band gaps using the plane wave expansion method and find that these gaps can be tuned by adjusting the side lengths ratio R,inclined angleθand filling fraction F of the parallelogram lattice with circular rods.The results show that the largest value of the first band gap appears atθ=90°and F=0.7854.In contrast,the largest value of the second band gap is atθ=60°and F=0.9068.Our results indicate that the improvement of matching degree between scatterers and lattice pattern,rather than the reduction of structural symmetry,is mainly responsible for the enhancement of the band gaps in the 2D phononic crystal.     

Low frequency phononic band structures in two-dimensional arc-shaped phononic crystals

The low frequency phononic band structures of two-dimensional arc-shaped phononic crystals (APCs) were studied by the transfer matrix method in cylindrical coordinates. The results showed the first phononic band gaps (PBGs) of APCs from zero Hz with low modes. Locally resonant (LR) gaps were obtained with higher-order rotation symmetry, due to LR frequencies corresponding to the speeds of acoustic waves in the materials. These properties can be efficiently used in a structure for low frequencies that are forbidden, or in a device that permits a narrow window of frequencies.     

遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用

运用自适应遗传算法对二维声子晶体的带隙宽度进行优化设计，并与平面波展开法相结合，研究了由正方形排列的铅-环氧树脂构成的声子晶体的带隙宽度优化问题，发现自适应遗传算法可以有效地搜索到具有较宽完全声子带隙的优化单胞形式. 关键词： 声子晶体 声子带隙 遗传算法     

Effect of interface/surface stress on the elastic wave band structure of two-dimensional phononic crystals

In the present Letter, the multiple scattering theory (MST) for calculating the elastic wave band structure of two-dimensional phononic crystals (PCs) is extended to include the interface/surface stress effect at the nanoscale. The interface/surface elasticity theory is employed to describe the nonclassical boundary conditions at the interface/surface and the elastic Mie scattering matrix embodying the interface/surface stress effect is derived. Using this extended MST, the authors investigate the interface/surface stress effect on the elastic wave band structure of two-dimensional PCs, which is demonstrated to be significant when the characteristic size reduces to nanometers.