含点缺陷二维磁弹声子晶体的带隙调控及振动能量收集研究
发布时间：2021-07-27 22:12
声子晶体是由两种或两种以上介质周期排布形成的人工性复合材料,具有的禁带特性使其在减振降噪、声学隐身、声学探测、航空航天等领域具有十分广泛的应用前景。以磁致伸缩材料为典型代表的智能材料能够敏锐感知外界弹性场、温度场和磁场的变化并迅速做出响应,使得研究磁致伸缩型声子晶体的弹性波主动控制显得非常必要。另一方面,得益于点缺陷声子晶体因其缺陷态而引发的波局域化特性使得声波和弹性波能够聚集在缺陷处周围,通过在缺陷处放置压电材料能够用于高效的振动能量采集。为了扩大声子晶体禁带范围以及提高振动能量收集效率,本文将声子晶体点缺陷特性,磁致伸缩材料的多场耦合特性以及压电材料的压电效应相结合,利用有限元方法系统地研究了两类含点缺陷二维磁弹声子晶体结构在外部磁场和预应力作用下的带隙演化以及振动能量收集特性。具体的研究内容如下:（1）将磁致伸缩材料引入到含点缺陷的声子晶体中形成含点缺陷二维无限大磁弹声子晶体结构,通过在点缺陷处放置压电片进行弹性波振动能量收集。利用磁致伸缩材料的非线性力-磁耦合本构关系,研究了在磁场和预应力作用下结构的带隙特性;基于压电材料的压电效应并采用其线性本构方程,研究了外部磁场和预应力对...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有代表性的(a)一维(b)二维(c)三维声子晶体结构[12]
?0世纪50~60年代已经开展了相关研究[15]，但是起初并没有得到广泛关注。直到1992年，Sigalas和Economou等首次将球形散射体嵌入到软基体材料中形成三维点阵型声子晶体结构，第一次从理论角度证明了弹性波禁带的存在[16]。1993年，Kushwaha等利用平面波展开法研究了由普通金属构成的二维声子晶体结构，发现了弹性波在禁带频率内其幅值和能量快速衰减，而在通带范围内可以无损耗的传播，在此基础上首次提出声子晶体概念并详细描述了声子晶体在振动和噪声控制相关领域具有的潜在应用前景[17]。随后，Martinez-Sala等对如图1-2所示的兼具美学和艺术气息的固/气型声子晶体结构进行相关声学测试，第一次从实验的角度证明了声子晶体弹性波禁带的存在性，由此得出的结果发表在Nature杂志上[18]。由此，关于声子晶体的研究翻开了崭新的一页。图1-2二维声子晶体结构“流动的旋律”雕塑1.2.2声子晶体的带隙形成机理弹性波带隙是声子晶体最基本的特征。禁带能够很容易的在色散曲线中观察到是因为波矢找不到任何与之对应的频率，即就是在色散曲线（波矢-频率曲线）中出现空白频率区域就是禁带范围。当任意全方位的波矢覆盖整个布里渊区都找不到对应的频率时，所对应的带隙为完全禁带，其禁带使得所有方向入射的弹性波都无法从声子晶体中通过[19]；当弹性波在某些方向波矢下找不到相应频率时，对应的带隙为方向带隙，其禁带使得在波矢方向上无对应的频率，使得给定方向的弹性波无法在声子晶体中传播[20]。同时，波矢有与之对应的频率会在能带曲线中表征相应的频率线，但是值得注意的是虽然频率线代表声子晶体通带，允许弹性波在声子晶体中传播，但还是会存在一定的能量耗散。关于声子晶体带隙形成机理普遍采用带隙频率对应的波长与声子晶体晶格常?
和纵波相互之间的演化使得波形变化非常复杂。因此，较多的研究更关注对于固/固型声子晶体的研究。另外，布拉格散射对应的禁带对结构周期性不大敏感，甚至在某些结构中存在失谐情况也有可能产生禁带[27]。布拉格散射型声子晶体的明显特征在于禁带频率所处的频率较高，而且弹性波衰减幅值较大速度较快。目前，对于布拉格散射型声子晶体的研究中，其带隙结构以及禁带的宽度主要依赖于组分材料的状态（固态，液态）、散射体和基体材料的物理参数差异、周期性排列形式、组分材料的几何形状和填充料、晶格常数等特性[28-31]。图1-3典型的二维布拉格散射型声子晶体能带图[17]
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维声子晶体微腔能带结构的有限元分析与设计[J]. 李建宝,汪越胜,张传增. 人工晶体学报. 2010(03)
[2]椭圆柱体二维液态声子晶体声波禁带的研究[J]. 黄飞,何锃. 动力学与控制学报. 2005(04)
[3]单元结构尺寸对不锈钢/空气二维声子晶体声波禁带的影响[J]. 赵宏刚,刘耀宗,温激鸿,韩小云. 功能材料. 2004(06)
[4]二维声子晶体带隙计算中的时域有限差分方法[J]. 王刚,温激鸿,韩小云,赵宏刚. 物理学报. 2003(08)
博士论文
[1]声子晶体谐振器及其声能采集器研究[D]. 杨爱超.重庆大学 2015
[2]磁电弹性声带隙材料结构中的弹性波传播与局部化研究[D]. 王毅泽.哈尔滨工业大学 2009
[3]声子晶体局域共振带隙机理及减振特性研究[D]. 王刚.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]基于PVDF能量收集器的仿真及制备[D]. 赵冠兴.清华大学 2015
[2]二维三元局域共振型声子晶体禁带影响因素分析及解释[D]. 吴英家.哈尔滨工业大学 2009
[3]局域共振声子晶体的振动模型与隔振效果研究[D]. 计淘.上海交通大学 2008
[4]带隙原位可调型固/固二维声子晶体研究[D]. 钱斯文.国防科学技术大学 2004
本文编号：3306643
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有代表性的(a)一维(b)二维(c)三维声子晶体结构[12]
?0世纪50~60年代已经开展了相关研究[15]，但是起初并没有得到广泛关注。直到1992年，Sigalas和Economou等首次将球形散射体嵌入到软基体材料中形成三维点阵型声子晶体结构，第一次从理论角度证明了弹性波禁带的存在[16]。1993年，Kushwaha等利用平面波展开法研究了由普通金属构成的二维声子晶体结构，发现了弹性波在禁带频率内其幅值和能量快速衰减，而在通带范围内可以无损耗的传播，在此基础上首次提出声子晶体概念并详细描述了声子晶体在振动和噪声控制相关领域具有的潜在应用前景[17]。随后，Martinez-Sala等对如图1-2所示的兼具美学和艺术气息的固/气型声子晶体结构进行相关声学测试，第一次从实验的角度证明了声子晶体弹性波禁带的存在性，由此得出的结果发表在Nature杂志上[18]。由此，关于声子晶体的研究翻开了崭新的一页。图1-2二维声子晶体结构“流动的旋律”雕塑1.2.2声子晶体的带隙形成机理弹性波带隙是声子晶体最基本的特征。禁带能够很容易的在色散曲线中观察到是因为波矢找不到任何与之对应的频率，即就是在色散曲线（波矢-频率曲线）中出现空白频率区域就是禁带范围。当任意全方位的波矢覆盖整个布里渊区都找不到对应的频率时，所对应的带隙为完全禁带，其禁带使得所有方向入射的弹性波都无法从声子晶体中通过[19]；当弹性波在某些方向波矢下找不到相应频率时，对应的带隙为方向带隙，其禁带使得在波矢方向上无对应的频率，使得给定方向的弹性波无法在声子晶体中传播[20]。同时，波矢有与之对应的频率会在能带曲线中表征相应的频率线，但是值得注意的是虽然频率线代表声子晶体通带，允许弹性波在声子晶体中传播，但还是会存在一定的能量耗散。关于声子晶体带隙形成机理普遍采用带隙频率对应的波长与声子晶体晶格常?
和纵波相互之间的演化使得波形变化非常复杂。因此，较多的研究更关注对于固/固型声子晶体的研究。另外，布拉格散射对应的禁带对结构周期性不大敏感，甚至在某些结构中存在失谐情况也有可能产生禁带[27]。布拉格散射型声子晶体的明显特征在于禁带频率所处的频率较高，而且弹性波衰减幅值较大速度较快。目前，对于布拉格散射型声子晶体的研究中，其带隙结构以及禁带的宽度主要依赖于组分材料的状态（固态，液态）、散射体和基体材料的物理参数差异、周期性排列形式、组分材料的几何形状和填充料、晶格常数等特性[28-31]。图1-3典型的二维布拉格散射型声子晶体能带图[17]
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维声子晶体微腔能带结构的有限元分析与设计[J]. 李建宝,汪越胜,张传增. 人工晶体学报. 2010(03)
[2]椭圆柱体二维液态声子晶体声波禁带的研究[J]. 黄飞,何锃. 动力学与控制学报. 2005(04)
[3]单元结构尺寸对不锈钢/空气二维声子晶体声波禁带的影响[J]. 赵宏刚,刘耀宗,温激鸿,韩小云. 功能材料. 2004(06)
[4]二维声子晶体带隙计算中的时域有限差分方法[J]. 王刚,温激鸿,韩小云,赵宏刚. 物理学报. 2003(08)
博士论文
[1]声子晶体谐振器及其声能采集器研究[D]. 杨爱超.重庆大学 2015
[2]磁电弹性声带隙材料结构中的弹性波传播与局部化研究[D]. 王毅泽.哈尔滨工业大学 2009
[3]声子晶体局域共振带隙机理及减振特性研究[D]. 王刚.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]基于PVDF能量收集器的仿真及制备[D]. 赵冠兴.清华大学 2015
[2]二维三元局域共振型声子晶体禁带影响因素分析及解释[D]. 吴英家.哈尔滨工业大学 2009
[3]局域共振声子晶体的振动模型与隔振效果研究[D]. 计淘.上海交通大学 2008
[4]带隙原位可调型固/固二维声子晶体研究[D]. 钱斯文.国防科学技术大学 2004
本文编号：3306643
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