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。     

基于声子晶体位错理论的二维超声塑料焊接系统

为了有效改善二维工具头辐射面振幅分布不均匀的问题,对二维超声塑料焊接系统进行了优化设计研究:首先,利用横向位错在大尺寸长条形工具头上构造近周期声子晶体同质位错结,调节带隙的宽度和位置,使得二维超声塑料焊接系统的工作频率位于工具头的横向振动的带隙内,进而有效地控制工具头X方向的横向振动;其次,利用近周期声子晶体斜槽结构进一步优化辐射面的振幅分布均匀度,并分析了斜槽结构参数对超声塑料焊接系统纵向共振频率和振幅分布均匀度的影响规律.模拟仿真结果表明,近周期声子晶体同质位错结和斜槽结构能够实现对二维超声塑料焊接系统的优化,为横向振动抑制理论的进一步研究提供了基础.     

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。     

局域共振型声子晶体中的缺陷态研究

本文以二维固体局域共振声子晶体为例,对次波长区域缺陷态的实现机理及其特点进行了探讨.众所周知,工作于次波长区域的声子晶体可以用有效媒质理论来描述,其色散关系对其构成单元的排列结构并不敏感,因而使得共振型声子晶体的带结构难以被其构成单元的局域空间无序所打破.本文发现共振型声子晶体在其带隙附近的色散关系可由共振单元间的长程相互作用来理解.基于这一理解,对目前文献中提出的两种实现局域态的方法进行了研究,结果表明缺陷态的引入正是通过打破这种长程相互作用来实现的.另外,在此理解的基础上,通过引入非各向同性"缺陷"共振单元,实现了纵波与横波导波模式的分离.     

二维声子晶体中Zak相位诱导的界面态

界面态具有巨大的实际应用价值,因此寻找界面态是一个既有科学意义也有应用前景的课题.在本文中,我们通过把二维正方晶格声子晶体的结构单元进行倾斜,构造出具有线性狄拉克色散的斜方晶格体系.狄拉克色散引起体能带Zak相位的π跃变,使得位于狄拉克锥投影能带两边的带隙具有不同符号的表面阻抗,从而导致由正方晶体体系与由其“倾斜”的斜方晶格体系构成的界面处存在确定性的界面态.     

三组元声子晶体中的缺陷态

运用基于平面波的超元胞方法，研究作为缺陷引入的第三组元材料(四氯化碳、水)对二维二组元声子晶体(水/水银，四氯化碳/水银)带结构的影响.结果表明，二组元声子晶体在引入第三组元点缺陷/线缺陷后，在原来的带结构中会出现缺陷态/带，原带隙的位置、宽度变化不大；缺陷态/带频率主要受第三组元材料物性参数的影响；这些缺陷态都是局域化的.因此，在具有宽带隙的二组元体系中引入适当的第三组元点缺陷/线缺陷，让缺陷态/带频率落在二组元体系的带隙中，就可以形成特殊的滤声态/波导态.声子晶体的这一特性对于声波/弹性波的传播和新的声学应用具有重要意义. 关键词： 声子晶体 三组元 点缺陷 线缺陷     

N重旋转对称的二维准晶电子态与声子态的简并性

通过相似变化矩阵,对具有N重旋转对称的二维准晶系统的哈密顿量和动力学矩阵进行对角约化。当N为偶数时,电子态与声子态中有(N-2)/(N+2)是双重简并,而4/(N+2)是非简并;当N为奇数时,电子态与声子态中有(N-1)/(N+1)是双重简并,而2/(N+1)是非简并。利用群论方法得到相同的结论。 关键词：     

声子晶体中的声谷态输运

如同自旋电子学中的自旋,固体中的能谷自由度可视为新的信息载体,从而用于未来的电子器件设计。最近,作者将谷态的概念引入到声子晶体中,揭示其涡旋属性并建立激发选择定则。有趣的是,声谷态可由外部声场直接激发,并通过探测声子晶体内外的声场分布展示其极化特性。这种涡旋手性锁定的谷输运将为人们提供全新的声波操控方式。考虑到声和物质的相互作用,也可预期谷涡旋态的其它新奇应用,如旋转操纵微颗粒等。进一步研究发现,存在两类拓扑非平庸的声谷霍尔相,它们之间的界面可以支持拓扑保护的边缘态。研究表明,该边缘态具备各种新颖的性质,如谷选择性激发、边界拐弯抗反射等。     

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     

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     

Point defect states of a hollow cylinder in two-dimensional phononic crystal

Point defect states in two-dimensional phononic crystal of a hollow mercury cylinder in a water host are studied.An improved plane expansion method combined with the supercell technique is used to calculate the band gaps and the pressure distribution at the defect position.The sonic pressure of defect modes shows that the waves are localized at or near the defect.As the filing fraction increases,more defect modes appear in the band gaps.     

二维蜂窝结构声子晶体的负折射成像研究*

为了得到分辨率更好的平板透镜,对此进行了研究。利用有限元的方法研究了由水/水银材料组合的二维蜂窝结构声子晶体平板透镜的负折射成像特性,通过数值仿真计算了声子晶体的能带结构、等频色散曲线,模拟了点源成像,并且利用高斯波束验证了声子晶体平板透镜的负折射现象,得到了有效折射率neff =-1的成像。对比相同材料的正方晶格和三角晶格而言,该模型的成像效果更佳。为了改善成像分辨率,还在原来的模型上进行了改进,得到了分辨率约为0.37λ的亚波长像。     

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。     

Acoustic band pinning in the phononic crystal plates of anti-symmetric structure

Acoustic bands are studied numerically for a Lamb wave propagating in an anti-symmetric structure of a one-dimensional periodic plate by using the method of supercell plane-wave expansion. The results show that all the bands are pinned in pairs at the Brillouin zone boundary as long as the anti-symmetry remains and acoustic band gaps (ABGs) only appear between certain bands. In order to reveal the relationship between the band pinning and the anti-symmetry, the method of eigenmode analysis is introduced to calculate the displacement fields of different plate structures. Further, the method of harmony response analysis is employed to calculate the reference spectra to verify the accuracy of numerical calculations of acoustic band map, and both the locations and widths of ABGs in the acoustic band map are in good agreement with those of the reference spectra. The investigations show that the pinning effect is very sensitive to the anti-symmetry of periodic plates, and by introducing different types of breakages, more ABGs or narrow pass bands will appear, which is meaningful in band gap engineering.     

Complete low-frequency bandgap in a two-dimensional phononic crystal with spindle-shaped inclusions

A two-dimensional phononic crystal(PC) structure possessing a relatively low frequency range of complete bandgap is presented. The structure is composed of periodic spindle-shaped plumbum inclusions in a rubber matrix which forms a square lattice. The dispersion relation, transmission spectrum and displacement field are studied using the finite element method in conjunction with the Bloch theorem. Numerical results show that the present PC structure can achieve a large complete bandgap in a relatively low frequency range compared with two inclusions of different materials, which is useful in low-frequency noise and vibration control and can be designed as a low frequency acoustic filter and waveguides. Moreover,the transmission spectrum and effective mass are evaluated to validate the obtained band structure. It is interesting to see that within the band gap the effective mass becomes negative, resulting in an imaginary wave speed and wave exponential attenuation. Finally, sensitivity analysis of the effect of geometrical parameters of the presented PC structure on the lowest bandgap is performed to investigate the variations of the bandgap width and frequency.     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.