縫隙特征聲子晶體的禁帶機(jī)理及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、聲子晶體是一種新型功能材料或結(jié)構(gòu)，具有獨特的彈性波禁帶特性和局域化、負(fù)折射等物理內(nèi)涵，在工程領(lǐng)域減振降噪、新型聲學(xué)功能器件設(shè)計等方面表現(xiàn)出重大的潛在應(yīng)用價值，已成為國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點之一。本文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目和教育部博士點基金的資助下，致力于聲子晶體研究方法的拓展，禁帶產(chǎn)生新機(jī)理的探索，及新型聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計三個方面的研究工作，相關(guān)研究成果對于豐富和完善聲子晶體物理內(nèi)涵、指導(dǎo)具有實用價值的聲子晶

2、體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定參考意義。
　　首先，為了對不同聲子晶體結(jié)構(gòu)的禁帶產(chǎn)生機(jī)理及過程作更深入分析，基于彈性波能量分布的角度提出了聲子晶體的可視化研究思想。從波動方程入手推導(dǎo)了該方法各環(huán)節(jié)實現(xiàn)的有限元理論基礎(chǔ)，采用典型聲子晶體算例驗證了可視化方法在計算布拉格散射聲子晶體和局域共振型聲子晶體方面的正確可靠性，并對計算進(jìn)行收斂性分析。
　　其次，采用上述可視化方法深入研究了具有縫隙特征結(jié)構(gòu)的聲子晶體低頻寬禁帶的產(chǎn)生機(jī)理，通過對聲子晶

3、體能帶結(jié)構(gòu)計算、傳輸特性分析等，研究了縫隙特征對禁帶的影響規(guī)律，并通過對微觀原胞模態(tài)視圖、宏觀有限結(jié)構(gòu)時頻域視圖分析，進(jìn)一步研究了聲波與聲子晶體的作用機(jī)制和作用過程,及聲子晶體中聲波能量的流向分布等問題，從而提出聲子晶體禁帶產(chǎn)生的模態(tài)抑制機(jī)理及用于布拉格禁帶預(yù)測分析的管道理論模型。
　　第三，將“縫隙特征”作為獨立的概念引入氣體基聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，探索“縫隙特征”散射體在氣體基聲子晶體禁帶調(diào)制及降噪特性方面的應(yīng)用價值。設(shè)計內(nèi)板筋

4、聲子晶體，通過在內(nèi)腔中引入板間通道及板上縫隙改變原胞共振特性，從而進(jìn)一步降低禁帶頻率；設(shè)計交叉板聲子晶體，通過在相鄰散射體之間構(gòu)建“縫隙”和“內(nèi)腔”特征，研究該新型聲子晶體禁帶特性，并提出禁帶“實時可調(diào)制”聲子晶體的概念；將傳統(tǒng)吸聲材料引入聲子晶體，通過在縫隙特征聲子晶體內(nèi)腔填充吸聲材料，構(gòu)建材料耦合型聲子晶體，并采用理論計算和實驗測試相結(jié)合的方法，研究了耦合結(jié)構(gòu)的禁帶及降噪性能。?
　　第四，進(jìn)一步在固體基聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入

5、“縫隙特征”概念，探索“縫隙特征”散射體在固體基聲子晶體禁帶調(diào)制及減振特性方面的應(yīng)用價值。通過在固體布拉格聲子晶體的散射體和基體之間開設(shè)弧形縫隙，設(shè)計含有“Neck”特征的聲子晶體結(jié)構(gòu)，采用可視化方法研究了該結(jié)構(gòu)的禁帶特性及Neck參數(shù)對禁帶的影響；并將Neck結(jié)構(gòu)引入一維、二維有限厚度聲子晶體板中，研究了Neck結(jié)構(gòu)對板波禁帶特性的影響和調(diào)制規(guī)律。研究結(jié)果表明，縫隙結(jié)構(gòu)的引入在降低系統(tǒng)剛度的同時引入了局域共振單元，從而使聲子晶體在一定

6、程度上兼顧了布拉格禁帶和局域共振禁帶的優(yōu)勢，在較低頻段產(chǎn)生超寬禁帶。
　　最后，將“縫隙特征”以新型缺陷源的概念引入缺陷態(tài)聲子晶體的結(jié)構(gòu)研究，探索縫隙特征缺陷聲子晶體在實現(xiàn)“實時可調(diào)制式”聲學(xué)功能器件方面的原理可行性。通過改變特定散射體縫隙參數(shù)構(gòu)成相應(yīng)點缺陷或線缺陷，研究了該缺陷聲子晶體的局域態(tài)特性、波導(dǎo)特性及可變縫隙參數(shù)對缺陷態(tài)頻率的調(diào)制性能，并設(shè)計制備了相應(yīng)缺陷聲子晶體對缺陷波導(dǎo)的存在進(jìn)行實驗測試。結(jié)果表明，由“縫隙特征”構(gòu)建