隔声超构材料的研究进展

声学超构材料的概念起源于局域共振型声子晶体。作为一种新型复合人工结构材料,声学超构材料具备许多优异的特性,如相对于传统隔声材料可以灵活、精准地操控声波,采用小型化、轻质化的结构解决宽频带、低频隔声等问题。本文综述了声学超构材料在隔声方面的最新研究进展,从带隙理论和表征参数出发论述了声学超构材料隔声机理,重点介绍了相关代表性工作,包括Helmholtz式隔声超构材料、薄膜薄板式隔声超构材料、折叠卷曲空间式隔声超构材料以及组合式隔声超构材料的设计理念和方法,最后对这一新兴领域的应用进行了展望。     

大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究

针对低频声波的衰减问题,设计了一种大尺寸月牙盘非对称薄膜型声学超材料结构,利用有限元法计算了其传输损失和位移场。其结构尺寸可达100 mm,隔声频率降低至10 Hz,并在10～500 Hz的低频范围内展现出良好的隔声性能。与对称型薄膜声学超材料结构的隔声频带和隔声量相比,通过在单胞中引入不对称性,使得结构的低频隔声频带拓宽了23 Hz。通过模态分析发现,不对称性使薄膜声学超材料产生更多的振动耦合模式,Lorentz共振与Fano共振的同时存在提升了月牙盘型非对称结构的隔声性能。同时,薄膜和质量块的尺寸与偏心量等参数变化可进一步优化隔声效果,为声屏障低频隔声效果的提升在结构优化设计方面提供了一种解决思路。     

薄膜型声学超材料板结构隔声特性分析

针对发动机产生低频噪声引起驾驶员生理异常影响战机飞行品质的问题,提出一种薄膜型声学超材料板结构模型进行减振降噪.采用模态分析法对薄膜声学材料的基本特性进行分析,并结合有限元对平板结构模型隔声机理、隔声量影响因素进行了研究.结果显示:隔声量是弹性波与薄膜相互作用声能量衰减的结果,弹性波衰减速度直接影响隔声性能.结果表明:通过改变结构参数,则第一隔声峰处的隔声量增大,第一波谷的频率变化很小,同时薄膜的第一隔声峰向低频移动.     

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.     

双负超颖材料中的声学界面波

声学超颖材料中可以观察到声学界面波的存在.超胞方法被用来研究这种存在于非完全禁带中的界面波的色散关系和本征场分布.进一步,等效介质理论被用来证明这种界面波模式是由声学超颖材料的双负响应引起的.通过利用这种界面波模式,可以获得用于超声成像的声学超透镜.     

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.     

基于管状声学超透镜的近场点声源成像研究

在局域共振型声子晶体和负折射理论的相关基础上,结合声透镜发展现状和声成像的需要,提出了一种新型的管状声学超透镜结构并建立了模型;通过层多散射法分析了该透镜内声波的传输过程,然后利用COMSOL Multiphysics软件模拟了近场点声源通过不同厚度的管状声学超透镜后的声波传输和聚焦情况,得到了透射率和反射率的关系曲线,确定了最佳成像效果时透镜的厚度;在此厚度下,观察到入射波和出射波的波形基本接近,弥散现象很弱,很好的验证了该透镜可以实现对近场点声源的高分辨率成像.     

田字形地震超材料甚低频宽带隙机理

在地球中传播的地震波主要有体波和表面波,而表面波中Rayleigh波对建筑物造成的破坏最为强烈。针对Rayleigh波的振动控制,提出一种田字形超材料结构。相比于传统的地震超材料,这种超材料屏障是由外部口字形框体内部嵌套十字形柱体组成,形成4个可填充区域,其外部框体采用部分埋入的方式,具有高强度、强稳定性、填充方式灵活的特点。应用有限元法计算了田字形超材料的能带结构和传输特性,并通过分析带隙边界处模态振型可知,带隙的打开是由于柱体的局域共振。结合带隙机理可知,柱体结构中土壤填充量不同可改变柱体的质量,形成不同的谐振频率,产生甚低频带隙。为进一步拓宽带隙,设计研究了正、负梯度的质量填充方式,均可得到3.3~13.1 Hz甚低频宽带隙,在谐振频率范围内两者的隔震方式分别为Rayleigh波彩虹捕获和Rayleigh波到体波的转化。最后,采用EI-Centro地震波对填充屏障进行了时程验证,加速度最大幅值衰减超过80%,为地震超材料在减震隔震方面应用提供了新的设计思路和方法。     

双包覆层局域共振型声子晶体带隙特性研究

低频噪声由于其频率较低,波长较长而难以抑制,因此增大声子晶体低频带隙宽度尤为重要.与Bragg型声子晶体相比,局域共振型声子晶体可以用较小的尺寸获得低频带隙,即用小尺寸来控制大波长,这一特点为声子晶体在低频减振和降噪方面的应用提供了新的方法和思路,具有重要的应用价值.笔者设计了二维组合式包覆层局域共振型声子晶体,研究了不同材料的组合包覆层对带隙的影响,得出组合式包覆层声子晶体比单包覆层声子晶体具有更宽带隙,不同包覆层组合形式对带隙有较大影响等结论,为声子晶体的研究做出了参考.     

分形凹角蜂窝结构声子晶体振动带隙特性

凹角结构具有优良的减振降噪特性,可以有效衰减结构振动响应,蜂窝结构具有优良的力学特性并已经较为普遍地被应用到工程之中,因此凹角蜂窝的复合结构引起了学者们的关注。本文通过对内凹蜂窝结构分形设计,构建了一种新型声子晶体模型。基于有限元方法对分形凹角蜂窝结构进行分析,计算能带结构以及振动传输特性,分析结构的负泊松比特性以及结构分形对振动带隙的影响。通过改变壁厚和内凹角度等参数,以及在分形结构顶点处填充钢材,可以更好地对某些频段振动产生抑制。结果表明:分形结构仍具有负泊松比特性,分形结构在二阶结构产生的带隙更宽,壁厚和凹角角度的增加会导致结构振动带隙向高频区域转移,填充钢材会使带隙变宽。     

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.     

声学超表面的非对称声分束特性研究

非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构,可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波,在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理论和实现方法,基于局域声功率守恒条件研究了声分束器的设计理论、阻抗矩阵分布、法向声强分布、声压场分布等。利用遗传算法对四串联共振腔结构进行参数优化实现了声分束器所需的阻抗矩阵分布,声压场分布表明声波入射到声分束器后在入射侧激发出两列传播方向相反且幅值和衰减系数均相同的表面波,实现了入射侧与透射侧的局域声功率相互匹配。声波经过声分束器后被分为两束透射波,两束透射波的折射角和透射系数与理论值十分吻合,证明了设计理论及实现方法的正确性和可行性。本文的研究工作可以为新型非对称声分束结构设计提供理论参考、设计方法和技术支持,并促进其在工程领域的实际应用。     

基于有限元法与超胞法的结构声表面波缺陷态分析

简要介绍了有限元法与超胞法相结合计算结构声表面波缺陷能带结构的方法,理论上分析了缺陷型表面声子晶体的声限制和声波导.表面声子晶体由刻有周期性凹槽的刚性板构成,通过改变晶体中某一格点或某一排格点的几何参数可以构建点缺陷和线缺陷.利用有限元法与超胞法能够十分方便地计算出表面声子晶体的点缺陷和线缺陷对应的缺陷带结构以及特定频率声波局域在点缺陷与线缺陷的本征压力场.通过分析缺陷能带结构与本征压力场,可以直观地了解缺陷型表面声子晶体中的声限制和声波导.     

弛豫铁电0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶声表面波性能研究

随着信息技术的迅速发展,对声表面波器件的要求也进一步提高.为寻找性能更加优异的声表面波器件基底材料,本文利用分波解法对室温下[001]c及[011]c极化弛豫铁电0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶的声表面波性能进行研究.利用[001]c及[011]c极化弛豫铁电0.24PIN-0.47PMN-0.29PT...     

类正方阿基米德格子声子晶体的声学能带结构特性

利用平面波展开法计算了类正方阿基米德格子水/水银声子晶体能带结构。结果表明:与正方晶格水/水银声子晶体对比,单胞含有4个"原子"类正方阿基米德格子声子晶体存在各向同性带隙和高频带隙;在低频范围内,讨论归一化半径对类正方阿基米德格子和正方晶格水/水银声子晶体带隙相对宽度的影响,并比较它们带隙相对宽度,选择合适归一化半径值,这些类型声子晶体能够得到最宽的带隙。     

低品位非金属矿制备多孔陶瓷及其吸音性能研究

以岩浆土、凝灰岩和玻璃粉为主要原料,以碳化硅和稻草粉分别为发泡剂和造孔剂制备多孔吸音陶瓷.结合原料热分析结果,运用单因素研究法考查了烧结温度、保温时间、造孔剂用量、发泡剂用量、样品厚度及显气孔率和孔径对多孔陶瓷材料吸音性能的影响.采用XRD和超景深显微技术对材料的晶相结构和形貌进行表征.结果表明,在烧结温度1150℃、保温时间50 min、发泡剂和造孔剂用量分别为原料质量的1.4;和6;、样品厚度30 mm时制备的材料性能最优,即在200~4000 Hz下材料平均吸音系数为0.34;此外,随着样品厚度的增加,第一吸收峰频率由高频向低频方向移动.     

基于AlN的体声波滤波器材料、器件与应用研究进展

在5G通信时代,体声波(BAW)滤波器件成为实现高性能射频(RF)滤波的有效解决方案。在当前BAW器件发展最成熟的薄膜体声波谐振器(FBAR)技术和专利被少数几家公司持有的大环境下,对压电薄膜生长、器件的制备工艺等方面进行突破,形成独有的BAW器件技术路线显得尤为重要。本文综述了AlN薄膜的生长、AlN材料在BAW滤波器件的发展、基于AlN的BAW器件的制备及其应用。在国内研究者的努力下,基于单晶AlN的体声波谐振器(SABAR)器件,通过在材料生长方法及制备工艺上的独立自主创新,不仅使BAW滤波器件的性能得到了进一步提升,也给受到国外掣肘的国内射频滤波行业带来了一条摆脱国外“卡脖子”问题的新路线。     

A high-speed high-sensitivity acoustic cell for in-line continuous monitoring of MOCVD precursor gases

We describe a continuous wave resonant acoustic sensor that has been optimized as a very sensitive in-line monitor for measuring the composition of precursor gases used in MOCVD processes. The precursor/carrier gas mixtures flow through a compact stainless steel acoustic chamber that is isolated from the acoustic transducers by a set of metallic diaphragms. The sensor has been successfully operated at supply line pressures from atmosphere down to 50 Torr with gas flow rates of up to 1600 sccm. The accuracy of the speed of sound measurement for hydrogen gas is better than 0.005%, even in a high noise and low pressure environment. Hydrogen, as well as nitrogen or argon carrier gases, are accommodated within the instrument's 1–5 kHz working frequency range. The instrument's sensitivity and stability are demonstrated with the laboratory data. Measurements of the dynamic response characteristics of the metalorganic bubbler lines at low pressure are also be presented. Application of the cell is general, encompassing any of the metalorganic and hydride materials typically used in MOCVD processes.