應(yīng)用聲子晶體梁缺陷態(tài)的能量采集研究.pdf

1、聲子晶體是一種具有彈性波或聲波帶隙的周期性結(jié)構(gòu)。聲子晶體的帶隙特性表明，帶隙頻率范圍內(nèi)對應(yīng)的彈性波或聲波在周期性結(jié)構(gòu)中傳播會(huì)受到抑制。當(dāng)完美型聲子晶體的周期性遭到破壞時(shí)，原有的帶隙內(nèi)就有可能出現(xiàn)缺陷態(tài)。缺陷態(tài)對應(yīng)的彈性波或聲波會(huì)在聲子晶體的點(diǎn)缺陷處局域化或沿著線缺陷方向定向傳播。目前，非完美型聲子晶體的相關(guān)研究工作主要集中在理論研究，實(shí)驗(yàn)研究工作相對較少。本文理論研究了聲子晶體梁的能帶結(jié)構(gòu)，并對其傳輸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后應(yīng)用缺陷態(tài)特

2、性來采集梁結(jié)構(gòu)中的彎曲波能量。全文主要研究工作如下:
　　(1)本文應(yīng)用了比Euler-Bernoulli梁更精確的Timoshenko梁TMM理論來計(jì)算聲子晶體梁的能帶結(jié)構(gòu)。通過超晶格模型得到缺陷態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)了帶隙中的缺陷態(tài)并不是憑空產(chǎn)生的，而是由其它頻散曲線平移得到的。探討了梁的材料長度、缺陷材料的高度和缺陷材料的楊氏模量對缺陷態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)不同的物理參數(shù)會(huì)使得缺陷態(tài)是由不同的頻帶平移產(chǎn)生的。其中聲子晶體帶隙及缺陷態(tài)位置受到晶

3、格常數(shù)的影響尤為敏感。
　　(2)本文首次應(yīng)用布拉格光纖光柵(FBG)位移傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了聲子晶體梁的傳輸曲線，并重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究了缺陷態(tài)對彎曲波群速度的影響。應(yīng)用Hanning窗口調(diào)制第一缺陷態(tài)頻率附近的21步激勵(lì)信號(hào)波（頻率范圍介于300Hz到900Hz）進(jìn)行瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。光纖光柵瞬態(tài)測量實(shí)驗(yàn)和有限元(FEM)仿真的彎曲波群速度分布圖可以清楚地說明聲子晶體梁缺陷態(tài)對應(yīng)的彎曲波有較慢的群速度。本文通過缺陷態(tài)頻率下不同時(shí)刻對應(yīng)的聲子

4、晶體梁位移瞬態(tài)振型指出了缺陷態(tài)對應(yīng)的彎曲波傳播行為是駐波模式。
　　(3)本文充分利用點(diǎn)缺陷對彎曲波局域化的特點(diǎn)和能量采集器靠近振動(dòng)源布置的雙重效果，設(shè)計(jì)了可進(jìn)行高效率能量采集的含點(diǎn)缺陷的聲子晶體梁結(jié)構(gòu)。我們利用壓電薄膜(PVDF)采集到的第一缺陷態(tài)(615Hz)和第二缺陷態(tài)(2688Hz)的最大輸出功率分別為54.4nW和777.5nW，該結(jié)果遠(yuǎn)大于傳輸曲線中其它一般通帶共振頻率下的輸出功率。此外，本文建立了壓電采集理論來預(yù)測含