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(dú)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(jì)等方面表現(xiàn)出重大的潛在應(yīng)用價(jià)值，已成為國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。本文在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和教育部博士點(diǎn)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(jì)三個(gè)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(shí)用價(jià)值的聲子晶

2、體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的有限元理論基礎(chǔ)，采用典型聲子晶體算例驗(yàn)證了可視化方法在計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(dú)立的概念引入氣體基聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jià)值。設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)時(shí)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jià)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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)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(diǎn)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(jì)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(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明，由“縫隙特征”構(gòu)建