聲子晶體諧振器及其聲能采集器研究.pdf

1、聲子晶體在減振除噪、聲聚焦成像、隱身等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是含點(diǎn)缺陷的聲子晶體（即聲子晶體諧振器）因?yàn)槠淙毕輵B(tài)而引起的聲波局域化效應(yīng)能夠有效地局限匯聚聲波、放大聲壓，所以聲子晶體諧振器可以應(yīng)用于聲能采集技術(shù)等。但是當(dāng)前已有的聲子晶體諧振器因其較小的聲壓增益、極低的諧振Q值導(dǎo)致較低的聲能采集效率，從而限制了其在聲能采集領(lǐng)域的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。
　　聲能采集技術(shù)的開發(fā)可以為低功耗的電子器件供能從而解決其電池問題，同時(shí)還能給環(huán)境降

2、噪。但現(xiàn)實(shí)環(huán)境中聲能密度低且聲波來源為多個(gè)方向，因此如何設(shè)計(jì)大聲壓增益、高諧振 Q值的聲子晶體諧振器來實(shí)現(xiàn)高效、多方向的聲能采集成為相關(guān)研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。本論文在國(guó)家863計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，并且探索了聲子晶體諧振器在聲能采集器方面的應(yīng)用。論文的具體工作和主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1）提出了一種雙層耦合聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)不同大小的采用圓柱體散射體的聲子晶體諧

3、振器相嵌套而成，聲子晶體諧振器之間的聲波耦合作用增強(qiáng)了整個(gè)耦合結(jié)構(gòu)的聲波局域化效應(yīng)并提高了其諧振聲壓增益。對(duì)比分析了單層和雙層耦合聲子晶體諧振器的帶隙特性、聲波局域化效應(yīng)及聲壓增益譜，并建立聲壓增益測(cè)試系統(tǒng)對(duì)單層、雙層耦合聲子晶體諧振器的聲壓增益頻譜進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與單層聲子晶體諧振器相比，雙層耦合聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)擁有更強(qiáng)的聲波局域化效應(yīng)和2.1~3.3倍的諧振聲壓增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。
　　2）提出了一種多層

4、耦合聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)，由不同散射體大小、數(shù)目的多個(gè)聲子晶體嵌套而成。各層聲子晶體的帶隙及缺陷帶之間的交叉耦合作用導(dǎo)致多層耦合聲子晶體諧振器其能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)強(qiáng)聲波局限模態(tài)的超平坦通帶，因此多層耦合聲子晶體諧振器擁有更強(qiáng)的聲波局域化效應(yīng)和更大的諧振聲壓增益。分析了不同耦合層數(shù)對(duì)聲子晶體諧振器的帶隙特性、聲壓增益譜、諧振 Q值的影響。分析結(jié)果表明，多層耦合聲子晶體諧振器的聲壓增益峰值與耦合層數(shù)成正比，聲壓增益峰值的增率與層數(shù)的平均變化

5、率約為2.73倍/層。與相同大小的單層聲子晶體諧振器相比，五層耦合聲子晶體諧振器擁有33.9倍的聲壓增益峰值和36.7倍的諧振Q值。
　　3）提出了一種采用十字板的高Q值、大聲壓增益的聲子晶體諧振器（Cr-PCR）。十字板獨(dú)有的凹角對(duì)聲波的強(qiáng)方向性散射導(dǎo)致了強(qiáng)烈的聲波局域化效應(yīng)，從而產(chǎn)生了高諧振 Q值、大聲壓增益的多聲波局限點(diǎn)。主要分析了十字板厚度對(duì)聲子晶體諧振器的能帶結(jié)構(gòu)、諧振頻率、聲壓增益及諧振 Q值的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)量并對(duì)比了提

6、出的 Cr-PCR與傳統(tǒng)采用圓柱體散射體的聲子晶體諧振器（Cy-PCR）的聲壓增益譜和諧振 Q值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：提出的 Cr-PCR結(jié)構(gòu)在各聲波局限點(diǎn)呈現(xiàn)出2020~3535的諧振Q值和14.3~16.6的諧振聲壓增益；它們分別是傳統(tǒng)Cy-PCR結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)的202~353.5倍和5.3~6.1倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。
　　4）提出了一種亞波長(zhǎng)、大聲壓增益的多級(jí)局域共振聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)，其散射體采用多個(gè)亞波長(zhǎng)共振的赫姆霍茲諧

7、振器的嵌套結(jié)構(gòu)。各個(gè)多級(jí)赫姆霍茲諧振器輻射出的被其增強(qiáng)放大的聲波，在聲子晶體諧振器腔體中心處發(fā)生同相疊加，從而在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的聲波局域化效應(yīng)及大的聲壓增益。分析不同嵌套級(jí)數(shù)、不同取向的赫姆霍茲諧振器散射體對(duì)聲子晶體諧振器的能帶結(jié)構(gòu)、諧振頻率、聲壓增益的影響。分析結(jié)果表明提出的亞波長(zhǎng)多級(jí)局域共振聲子晶體諧振器，在赫姆霍茲諧振器散射體同向非對(duì)稱分布和非同向?qū)ΨQ分布時(shí)的最大聲壓增益，分別是傳統(tǒng)采用剛性散射體聲子晶體諧振器的4.2倍和5.

8、9倍。此外在同向非對(duì)稱分布時(shí)，提出的聲子晶體諧振器擁有極低諧振頻率，相應(yīng)的諧振波長(zhǎng)約為晶格常數(shù)的4.6倍。
　　5）提出一種利用小靜磁場(chǎng)調(diào)整聲子晶體性能的方法。將永磁體固定在散射體上，永磁體在外部靜磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生磁扭矩效應(yīng)而帶動(dòng)散射體發(fā)生變形，聲子晶體的晶格常數(shù)及能帶結(jié)構(gòu)因而發(fā)生較大改變，聲子晶體的性能（如透射譜）也產(chǎn)生較大變化，結(jié)果表明一個(gè)130 Oe大小的外靜磁場(chǎng)可以顯著地改變聲子晶體器件的性能，該磁場(chǎng)閾值大約只有先前相關(guān)研

9、究的1/100。
　　6）提出了采用聲子晶體諧振器與機(jī)電赫姆霍茲諧振器（EMHR）相結(jié)合的高效、多方向聲能采集器。聲子晶體諧振器與機(jī)電赫姆霍茲諧振器之間的強(qiáng)聲場(chǎng)耦合作用增強(qiáng)了聲波的匯聚效應(yīng)，從而提高了聲能采集效率。建立了聲能采集器輸出電壓譜及輸出電壓、功率的阻抗特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)比了提出的兩種聲能采集器的輸出電壓及功率特性，同時(shí)研究了提出的聲能采集器對(duì)多方向聲波激勵(lì)的電壓響應(yīng)輸出。最后測(cè)試了聲能采集器結(jié)合后端電源管理電路時(shí)對(duì)無線

10、傳感節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力。聲子晶體諧振器的選擇有兩種，一種是采用圓柱體散射體的傳統(tǒng)聲子晶體諧振器（Cy-PCR），對(duì)應(yīng)的采集器為Cy-PCR/EMHR；另一種是提出的具有高Q值、大聲壓增益的采用十字板散射體聲子晶體諧振器Cr-PCR，對(duì)應(yīng)的采集器為Cr-PCR/EMHR。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)單獨(dú)采用Cy-PCR或EMHR的聲能采集器相比，采用Cy-PCR/EMHR的聲能采集器具有23倍、262倍的最大采集效率；而在聲波多個(gè)方向激勵(lì)時(shí)，采用Cr

11、-PCR/EMHR聲能采集器的最大輸出功率體密度是采用Cy-PCR/EMHR聲能采集器的13.6~22倍。
　　7）構(gòu)建了一種采用聲能采集器、后端電源管理電路和無線傳感器節(jié)點(diǎn)的聲能供電式無線傳感器節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了電源管理電路的充放電特性，并測(cè)試了其對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在100 dB的聲波持續(xù)45.5分鐘激勵(lì)下，聲能采集器結(jié)合后端電源管理電路驅(qū)動(dòng)了最大功耗為78 mW的無線傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期620 ms的數(shù)