各向异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数

五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构,具有类似流体的性质,在声波调控中有着潜在的应用.声学变换作为声波调控的一种重要手段,在超材料声学器件的设计中被广泛使用.声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料.因此,需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响.本文利用有限元方法,对各项异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数进行了研究.研究结果表明,三维非对称双锥五模超材料单模区域的相对带宽随着各向异性的增大而减小,第一带隙的相对带宽增大到123%,品质因数增大到6.9倍.本研究可为声学变换在三维非对称双锥五模超材料中的应用提供指导.     

双锥型五模材料低频声波调控及参数设计

为有效控制噪声并进行声波调控,构造了双锥区域为TC4钛合金、节点区域为硫化橡胶的六边形排列双锥五模材料,进行能带分析发现其具有较窄的低频声子带隙和单模传输区域。为提高五模材料的低频声波调控性能,设计了正方形和三角形排列构型,结果表明三角形排列的双锥五模材料带隙的频率更低,带宽更宽,且具有单模传输性能和较好的五模特性。此外分别探究了五模材料构型的材料参数(包括双锥区和节点区的密度、泊松比和杨氏模量)以及几何参数(包括双锥宽和节点半径的变化)对带隙及单模传输区域的影响,得到带隙和单模传输区的变化规律,选择密度较轻的填充材料、较小的双锥宽和较大的节点半径不仅可以提高低频声波调控性能,而且可以降低结构质量,提高结构的稳定性。该文结果对用于低频声波传播调控的五模材料的构型和参数的设计具有一定的借鉴意义。     

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。     

局域共振声子晶体复合结构的隔声特性

提出一种四振子对称局域共振声子晶体单元结构,通过改变振子的材料组份,使其在不同频率范围内存在完全带隙以及隔声峰;为拓宽结构隔声的频率范围,通过将不同结构复合的方式,使各结构在不同频率段发挥较好的隔声效果,从而实现隔声范围拓宽;采用有限元法研究了影响复合结构隔声效果的关键因素.结果表明,采用不同结构复合的方法能够有效地拓宽结构的隔声范围.该研究为声子晶体的宽频隔声提供了理论参考.     

对称型单负交替一维光子晶体的能带结构

构造了(AB)^N(BA)^N对称型两种单负材料交替一维光子晶体,利用传输矩阵法进行数值模拟.结果表明：这种单负交替对称型一维光子晶体具有一种特殊带隙结构,该带隙不敏感于入射角和晶格的无序性.在该带隙内出现了两个隧穿模,该隧穿模不敏感于入射角的改变和晶格的无序性,但能带及带隙内的隧穿模却敏感于晶格标度和周期数的变化;随着入射角的改变,带隙两侧的隧穿模趋于简并.这些特性对在利用此结构光子晶体设计双重超窄带滤波器时,具有一定的参考价值. 关键词： 光子晶体 单负材料 光子带隙     

含特异材料一维超导光子晶体的带隙特性研究

利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性. 研究表明, 这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙, 且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽. 但在一定的结构参数下, 这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙. 还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究. 关键词： 超导光子晶体 传输矩阵法 特异材料 光子带隙     

AlN/InN和AlN/GaN超晶格能带结构研究

利用Krönig-Penney 模型和形变势理论,从理论上探讨了纤锌矿型AlN/InN和AlN/GaN超晶格系统的能带结构及不同应变模式对能带结构的影响,计算得到了能带结构随各亚层参量变化的一般性规律、超晶格的能量色散关系、应变造成的影响以及不同亚层厚度的系统禁带宽度和导带第一子禁带宽度.研究发现,通过改变亚层厚度可以从不同形式设计能带结构,应变会改变系统禁带宽度,使带阶和子能带明显窄化,价带结构趋于复杂甚至生成准能带结构.与实验结果对比后发现,该模型适于模拟窄势阱结构超晶格,而对于宽势阱则必须 关键词： AlN/InN和AlN/GaN超晶格 Krönig-Penney模型 应变 子能带     

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。     

新型二维压电声子晶体板带隙可调性研究

设计了一种由涂有硬质材料涂层的柱状压电散射体周期性连接在四个环氧树脂薄板上构成的具有大带宽的新型二维压电声子晶体板,并利用有限元方法计算了该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场.研究表明：与二组元材料构成的传统声子晶体板相比,新设计的声子晶体板的第一完全带隙频率更低,并且带宽扩大了5倍;通过在压电体表面上施加不同的电边界条件,可以实现多条完全带隙的主动调控;压电效应对能带结构有很大的影响,并且有利于完全带隙的扩大与形成.基于带隙的可调谐性,分析了可切换路径的压电声子晶体板波导,结果表明可以通过改变电边界条件来限制弹性波能量流.     

Ge基二维正方晶格光子晶体带隙优化设计

采用平面波展开法模拟二维光子晶体在E极化和H极化下的能带结构,研究Ge基二维正方晶格光子晶体的填充比以及晶格排列结构对最大禁带宽度的影响。结果表明：在空气背景材料中填充Ge柱的介质柱结构中,可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.19~0.47范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.064（归一化频率）;在选取Ge为背景材料的空气孔型结构中,同样可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.46~0.49范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.051（归一化频率）。同时,不论在介质柱型还是空气孔型结构中,带隙宽度都随着r/a的增大呈先增大后减小的趋势。     

Wide-band underwater acoustic absorption based on locally resonant unit and interpenetrating network structure

The interpenetrating network structure provides an interesting avenue to novel materials. Locally resonant phononic crystal (LRPC) exhibits excellent sound attenuation performance based on the periodical arrangement of sound wave scatters. Combining the LRPC concept and interpenetrating network glassy structure, this paper has developed a new material which can achieve a wide band underwater strong acoustic absorption. Underwater absorption coefficients of different samples were measured by the pulse tube. Measurement results show that the new material possesses excellent underwater acoustic effects in a wide frequency range.Moreover, in order to investigate impacts of locally resonant units,some defects are introduced into the sample. The experimental result and the theoretical calculation both show that locally resonant units being connected to a network structure play an important role in achieving a wide band strong acoustic absorption.     

A Wide Band Strong Acoustic Absorption in a Locally Network Anechoic Coating

Composite materials with interpenetrating network structures usually exhibit unexpected merit due to the cooperative interaction. Locally resonant phononic crystals （LRPC） exhibit excellent sound attenuation performance based on a periodical arrangement of sound wave scatters. Inspired by the interpenetrating network structure and the LRPC concept, we develop a locally network anechoic coating （LNAC） that can achieve a wide band of underwater strong acoustic absorption. The experimental results show that the LNAC possesses an excellent underwater acoustic absorbing capacity in a wide frequency range. Moreover, in order to investigate the impact of the interpenetrating network structure, we fabricate a faultage structure sample and the network is disconnected by hard polyurethane （PU）. The experimental comparison between the LNAC and the fanltage structure sample shows that the interpenetrating network structure of the LNAC plays an important role in achieving a wide band strong acoustic absorption.     

Phononic glass: A robust acoustic-absorption material

In order to achieve strong wide band acoustic absorption under high hydrostatic pressure, an interpenetrating network structure is introduced into the locally resonant phononic crystal to fabricate a type of phononic composite material called "phononic glass." Underwater acoustic absorption coefficient measurements show that the material owns high underwater sound absorption coefficients over 0.9 in 12-30?kHz. Moreover, the quasi-static compressive behavior shows that the phononic glass has a compressive strength over 5?MPa which is crucial for underwater applications.     

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。     

基于局域共振单元实现声子晶体低频多通道滤波

从理论上提出一种由局域共振单元组成的声子晶体低频多通道滤波模型.在二维三组元局域共振声子晶体中引入不同填充率的共振单元构成波导结构,通过有限元法计算出其能带结构、透射曲线和透射场图.结果显示:这种设计能够在低频带隙范围内不同填充率散射体的共振频率附近产生新的分立模,且这些分立模能够使相应的声波在声子晶体中沿波导方向传播;这些分立模只与相应的共振单元相关,抗干扰能力强.所得结果为低频多通道滤波器的设计提供了一种新的理论依据.     

二维组合宽带隙材料的研究

运用FDTD(时域有限差分法)研究了弹性波/声波通过二维正方形排列的铁/水声子晶体的传播特性.发现铁/水声子晶体在高频范围存在完全带隙，软包层铁/水声子晶体在低频范围出现共振带隙，它们分别对应于不同的带隙形成机理.通过铁/水声子晶体和软包层铁/水声子晶体的组合，可以得到从高频到低频的组合宽带隙结构，从而达到在更宽频范围内控制弹性波传播的目的；而且通过调整包层的厚度、铁芯的大小、以及填充率等结构参数，可以有效地调节组合宽带隙的频率结构.     

局域共振复合单元声子晶体结构的低频带隙特性研究

本文提出了一种新型局域共振复合单元声子晶体结构, 并结合有限元方法对结构的带隙机理及低频共振带隙特性进行了分析和研究. 共振带隙产生的频率位置由所对应的局域共振模态的固有频率决定, 并且带隙宽度与局域共振模态的品质因子及其与基体之间的耦合作用强度有关. 采用局域共振复合单元结构可以实现声子晶体的多重共振, 在低频范围能打开多条共振带隙, 但受到共振单元排列方式的的影响. 由于纵向和横向局域共振模态的简并, 复合单元结构能在200 Hz以下的低频范围打开超过60%宽度的共振带隙, 最低带隙频率低至18 Hz. 这为声子晶体结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法. 关键词： 局域共振 低频带隙 复合单元 声子晶体     

Numerical parametric study of chiral effects and group delays in Ω element based terahertz metamaterial

In this work, we have systematically studied the impact of geometric parameters on chiral effects which occur in metamaterial made of Ω elements. The analysis of group delays and electric field enhancements indicate stronger interaction between the structure and right circularly polarized waves. Calculations of optical activity and circular dichroism for different values of geometric parameters, allow us to deduce that the thickness of the wire and the gap size have large influence on these effects. On the other hand, the radius of the wire affects mainly the resonant frequency position which enables frequency tunability. The results indicate that multi-functional design of this chiral metamaterial offers great flexibility for various devices: enantiomeric sensors, circular polarizers and light modulators.