超声频段声子晶体滤波特性研究

发布时间：2017-07-13 21:11

  本文关键词：超声频段声子晶体滤波特性研究

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【摘要】：声子晶体由于其带隙机理以及对声波的运动状态可以人为地进行调控,近几年在各个领域被广泛应用。本文利用声子晶体的禁带特性、聚焦功能以及缺陷态结构,以超声频段为对象研究声子晶体滤波特性。从声子晶体的弹性波、晶格及能带理论出发,设计了由铅、橡胶和环氧树脂组成的三组元局域共振型二维剖面声子晶体结构。在四角晶格的基础上,材料参数不变,通过改变散射体的阵列引入缺陷态,设计了三角晶格结构、六角晶格结构及复式晶格结构,基于平面波展开法和有限元法分别仿真出四种不同晶格的能带结构。仿真结果得出,通带频率范围内有较好的汇聚效果,当频率无法与声子晶体产生共振或在声子晶体内部传输过程中迅速衰减而进入阻带范围,由此起到滤波的作用。其中,四角晶格结构在10MHz内根据阵列结构的不同可设计为带阻滤波器或低通滤波器,三角晶格在1100kHz内为带通滤波器,六角晶格与复式晶格结构在200kHz内为多通道滤波器。改变声子晶体的晶格结构类型,其通禁带范围也随之变化,较好地实现了滤波频率的可调性。以二维剖面为基础设计三维三角晶格声子晶体结构并对其进行有限元仿真,结果与二维剖面结构基本一致。根据仿真中设定的材料参数,结合3D打印技术打印出三角晶格的基体材料,并通过穿入铅芯以及灌入橡胶完成声子晶体结构的制备。设计超声检测的发射与接收模块,采用40kHz~1000kHz范围里七个不同频率的超声探头进行测试,从输出首波幅值的高低观察各频率点的通过性。有声子晶体时的测试结果与仿真结果较为吻合,无声子晶体时的输出幅值不存在明显的增强或衰减现象,验证了三角晶格声子晶体结构具备滤波特性。
【关键词】：声子晶体 滤波器 超声频率 有限元法
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题研究目的及意义9-10
• 1.2 声子晶体10-14
• 1.2.1 声子晶体的基本概念10-12
• 1.2.2 声子晶体研究现状及国内外发展12-14
• 1.3 滤波技术的发展14-15
• 1.4 论文主要研究内容及结构安排15-17
• 2 声子晶体滤波理论研究17-29
• 2.1 声子晶体理论基础17-21
• 2.1.1 弹性波理论17-18
• 2.1.2 晶格与能带理论18-21
• 2.2 声子晶体滤波特性计算方法21-25
• 2.2.1 滤波计算方法21-24
• 2.2.2 带隙机理及特性24-25
• 2.3 平面波展开法计算声子晶体滤波带隙25-28
• 2.4 小结28-29
• 3 有限元法仿真声子晶体滤波结构29-51
• 3.1 有限元法基本思路及仿真过程29-31
• 3.2 四角晶格声子晶体滤波结构31-38
• 3.2.1 激励源紧贴声子晶体放置32
• 3.2.2 激励源与声子晶体有距离放置32-34
• 3.2.3 散射体阵列对滤波特性的影响34-38
• 3.3 三角晶格声子晶体滤波结构38-40
• 3.4 六角晶格声子晶体滤波结构40-45
• 3.5 点激励作用于声子晶体滤波结构45-47
• 3.6 三维三角晶格声子晶体滤波结构47-49
• 3.7 小结49-51
• 4 声子晶体滤波特性测试及结果分析51-64
• 4.1 三角晶格声子晶体滤波结构的制备51-52
• 4.2 滤波测试系统设计52-59
• 4.2.1 超声发射模块53-55
• 4.2.2 超声接收模块55-59
• 4.3 滤波测试过程59-60
• 4.4 实验结果分析60-63
• 4.5 小结63-64
• 5 总结与展望64-66
• 5.1 总结64-65
• 5.2 展望65-66
• 参考文献66-71
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果71-72
• 致谢72-73

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本文编号：538396