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，特別是含點缺陷的聲子晶體（即聲子晶體諧振器）因為其缺陷態(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，同時還能給環(huán)境降

2、噪。但現(xiàn)實環(huán)境中聲能密度低且聲波來源為多個方向，因此如何設(shè)計大聲壓增益、高諧振 Q值的聲子晶體諧振器來實現(xiàn)高效、多方向的聲能采集成為相關(guān)研究的難點與重點。本論文在國家863計劃和國家自然科學(xué)基金的資助下從理論與實驗兩方面對聲子晶體諧振器結(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內(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了整個耦合結(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，并建立聲壓增益測試系統(tǒng)對單層、雙層耦合聲子晶體諧振器的聲壓增益頻譜進(jìn)行了測量。實驗結(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)擁有更強的聲波局域化效應(yīng)和2.1~3.3倍的諧振聲壓增益。實驗結(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)了對應(yīng)強聲波局限模態(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）。十字板獨有的凹角對聲波的強方向性散射導(dǎo)致了強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。主要分析了十字板厚度對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。實驗測量并對比了提

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。實驗結(jié)果顯示：提出的 Cr-PCR結(jié)構(gòu)在各聲波局限點呈現(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。實驗結(jié)果與理論分析吻合。
　　4）提出了一種亞波長、大聲壓增益的多級局域共振聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)，其散射體采用多個亞波長共振的赫姆霍茲諧

7、振器的嵌套結(jié)構(gòu)。各個多級赫姆霍茲諧振器輻射出的被其增強放大的聲波，在聲子晶體諧振器腔體中心處發(fā)生同相疊加，從而在亞波長范圍內(nèi)產(chǎn)生強的聲波局域化效應(yīng)及大的聲壓增益。分析不同嵌套級數(shù)、不同取向的赫姆霍茲諧振器散射體對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多級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稱分布和非同向?qū)ΨQ分布時的最大聲壓增益，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。此外在同向非對稱分布時，提出的聲子晶體諧振器擁有極低諧振頻率，相應(yīng)的諧振波長約為晶格常數(shù)的4.6倍。
　　5）提出一種利用小靜磁場調(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的作用下產(chǎn)生磁扭矩效應(yīng)而帶動散射體發(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130 Oe大小的外靜磁場可以顯著地改變聲子晶體器件的性能，該磁場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電赫姆霍茲諧振器之間的強聲場耦合作用增強了聲波的匯聚效應(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、功率的阻抗特性實驗測試系統(tǒng)，對比了提出的兩種聲能采集器的輸出電壓及功率特性，同時研究了提出的聲能采集器對多方向聲波激勵的電壓響應(yīng)輸出。最后測試了聲能采集器結(jié)合后端電源管理電路時對無線

10、傳感節(jié)點的驅(qū)動能力。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，對應(yīng)的采集器為Cr-PCR/EMHR。實驗結(jié)果表明：與傳統(tǒng)單獨采用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；而在聲波多個方向激勵時，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)點的聲能供電式無線傳感器節(jié)點。實驗測試了電源管理電路的充放電特性，并測試了其對無線傳感器節(jié)點的驅(qū)動能力。實驗測試結(jié)果表明，在100 dB的聲波持續(xù)45.5分鐘激勵下，聲能采集器結(jié)合后端電源管理電路驅(qū)動了最大功耗為78 mW的無線傳感器節(jié)點一個周期620 ms的數(shù)