含手性谐振单元声子晶体的带隙和传输特性研究

发布时间：2017-08-23 07:19

  本文关键词：含手性谐振单元声子晶体的带隙和传输特性研究

  更多相关文章： 声子晶体 超材料 手性谐振单元 带隙特性 能带结构 定向传输 负折射

【摘要】：声子晶体是一种具有周期性的人工复合材料／结构,能够调控弹性波或声波的传播特性,其在隔振降噪、声换能器、声波导、声滤波器、声透镜和声波隐身等声学器件领域有着广阔的应用前景。带隙是声子晶体的重要特征之一,它的产生机理主要包括Bragg散射和局域共振。Bragg散射产生带隙的波长和晶格常数相当,需要较大的晶体尺寸；而局域共振可在较小晶格常数下产生带隙,实现了“小尺寸控制长波长”。优化结果表明含手性谐振单元的结构在打开低频带隙方面展现了很大的优势。因此,本文基于局域共振机理,利用有限元方法对含手性谐振单元声子晶体的带隙特性和波传播行为开展了研究,并进行了理论计算、数值仿真和机理分析。主要工作包括：(1)在均匀固体中设计手性谐振单元孔,构成二维声子晶体。讨论了谐振单元的结构几何参数对带隙特性的影响,同时结合带隙边界的本征模态分析带隙产生机理,发展了简化近似等效环状质量-弹簧、环状摆-弹簧模型,预测带隙边界的本征频率。结果表明：含手性谐振单元的二维声子晶体能打开较宽且多个低频带隙,带隙的打开主要因为含手性谐振单元的局域共振,并产生了旋转振动模态；在大部分情况下,近似等效弹簧模型的预测值与数值计算结果吻合较好。(2)讨论了弹性波在含手性谐振单元声子晶体的定向传输特性以及相应的平板结构对声波的负折射成像。结果表明：该结构能在很宽的通带频率范围内实现定向传输;在负折射成像时,实际的成像范围是有限度的,点源与平板的水平间距大于一定波长倍数时便不能成像；而竖直方向,要求两点源必须相距一定的距离才能在平板另一侧被分辨开。(3)针对含手性谐振单元的固／固、固／液体系以及双层手性单元的三维声子晶体,讨论了谐振单元的结构几何参数对带隙特性的影响。结果表明：固／液体系的带隙明显比固／固体系宽,两者在孔的几何参数较小时均能得到比较宽的多个带隙,此时能带结构和带隙特性受孔的形状影响较小。此外双层手性结构出现了几个易于分辨的特色能带,以及负群速度区域。总之,本文研究了手性谐振单元声子晶体中的波传播性质,为设计低频隔振材料和声波器件提供了参考。
【关键词】：声子晶体 超材料 手性谐振单元 带隙特性 能带结构 定向传输 负折射
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O735
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 声子晶体的概念13-15
• 1.3 手性超材料15-17
• 1.4 国内外研究现状17-18
• 1.5 声子晶体声学特性的表征参量18-19
• 1.6 声子晶体的声学特性计算方法19-20
• 1.7 本文的主要工作20-22
• 2 声子晶体能带结构的有限元计算方法22-28
• 2.1 引言22
• 2.2 弹性波基本方程22-23
• 2.3 能带结构计算23-24
• 2.4 算例及分析24-27
• 2.4.1 二维含手性孔声子晶体24-25
• 2.4.2 三维手性固/固和固/液体系声子晶体25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 含手性谐振单元二维声子晶体的带隙特性28-50
• 3.1 引言28
• 3.2 含希腊十字孔和旋转玫瑰孔的二维声子晶体28-29
• 3.3 能带结构及带隙产生的机理29-32
• 3.3.1 能带结构29-31
• 3.3.2 带隙产生机理31-32
• 3.4 孔的几何参数对带隙的影响32-35
• 3.4.1 臂长b对带隙的影响32-34
• 3.4.2 孔宽c及臂长d对带隙的影响34-35
• 3.5 近似等效模型35-47
• 3.5.1 希腊十字孔面内混合模态36-41
• 3.5.2 希腊十字孔面外剪切模态41-44
• 3.5.3 旋转玫瑰孔面内混合模态44-47
• 3.6 本章小结47-50
• 4 含手性谐振单元的二维声子晶体传输特性50-62
• 4.1 引言50-51
• 4.2 定向传输51-54
• 4.2.1 希腊十字孔声子晶体的定向传输51-52
• 4.2.2 旋转玫瑰孔声子晶体的定向传输52-54
• 4.3 负折射成像54-60
• 4.3.1 水平成像距离55-59
• 4.3.2 衍射分辨率59-60
• 4.4 本章小结60-62
• 5 含手性孔的三维声子晶体带隙特性62-90
• 5.1 引言62-63
• 5.2 固/固体系声子晶体63-74
• 5.2.1 含“+”字孔的固/固体系声子晶体63-66
• 5.2.2 含U形孔的固/固体系声子晶体66-69
• 5.2.3 含希腊十字孔的固/固体系声子晶体69-71
• 5.2.4 基于传递矩阵法的近似计算71-74
• 5.3 固/液体系声子晶体74-84
• 5.3.1 含“+”字孔的固/液体系声子晶体74-77
• 5.3.2 含希腊十字孔的固/液体系声子晶体77-80
• 5.3.3 含旋转玫瑰孔的固/液体系声子晶体80-82
• 5.3.4 基于传递矩阵法的近似计算82-84
• 5.4 含双层手性单元三维声子晶体的带隙特性84-87
• 5.4.1 固/固体系声子晶体84-86
• 5.4.2 固/液体系声子晶体86-87
• 5.5 本章小结87-90
• 6 结论与展望90-92
• 6.1 结论90-91
• 6.2 展望91-92
• 参考文献92-98
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果98-102
• 学位论文数据集102

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘启能;;固-流结构矩形声子晶体中弹性波的传输特性[J];振动与冲击;2010年12期

2 邱学云;黄亚伟;胡家光;施秀萍;;一维声子晶体应用探索[J];曲靖师范学院学报;2011年03期

3 李金凤;邓科;赵鹤平;;抗反射层结构平板声子晶体棱镜成像[J];吉首大学学报(自然科学版);2011年02期

4 邱学云;;声子晶体应用基础研究概述[J];文山学院学报;2011年03期

5 邱学云;黄亚伟;胡家光;施秀萍;;基于振动控制的一维声子晶体研究进展[J];文山学院学报;2012年03期

6 倪旭;张小柳;卢明辉;陈延峰;;声子晶体和声学超构材料[J];物理;2012年10期

7 左曙光;孟姝;魏欢;何吕昌;马琮淦;;声子晶体特性研究及在车身板件中减振降噪的应用[J];材料导报;2012年18期

8 徐永刚;段艳涛;安斓;林钱兰;朱海飞;林富锟;李永放;;一维非周期性声子晶体中声波动力学特性[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2013年03期

9 朱宇光;方云团;闵立清;胡维礼;;一维固-液声子晶体表面消逝波传播模式[J];人工晶体学报;2013年05期

10 陆延青;;离子型声子晶体[J];科学;1999年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王健君;;通过组装胶体颗粒实现特超声子晶体[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年

2 陈久久;秦波;程建春;;二维表面波声子晶体的研究[A];中国声学学会2005年青年学术会议[CYCA'05]论文集[C];2005年

3 许震宇;沈琦;龚益玲;;一维声子晶体的数值和实验研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

4 刘晓峰;汪越胜;;夹层声子晶体板的缺陷态研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 吴英家;方庆川;凡友华;;新型声学材料——声子晶体的低频高效隔声性能研究[A];中国环境科学学会2009年学术年会论文集（第二卷）[C];2009年

6 徐伟;汪越胜;;二维声子晶体的等效非局部连续介质模型[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

7 刘耀宗;孟浩;李黎;温激鸿;;基于遗传算法的声子晶体梁振动传输特性优化设计[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年

8 祝雪丰;阚威威;程建春;;采用超晶格平面波展开和谐频响应法对硅基兰姆波声子晶体的研究[A];中国声学学会2009年青年学术会议[CYCA’09]论文集[C];2009年

9 周小微;程建春;;二维声子晶体中低频弹性波传播的有效速度[A];中国声学学会2009年青年学术会议[CYCA’09]论文集[C];2009年

10 汪越胜;;声子晶体波传播特性的参数表征及计算方法[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 记者 张建列 通讯员 冯春;利用声波实现“隔空探物”[N];广东科技报;2014年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 邓科;声子晶体及声超常材料的特性调控与功能设计[D];武汉大学;2010年

2 阚威威;声人工结构对声波的调控研究[D];南京大学;2015年

3 李鹏;声子晶体点缺陷模式及其传感特性研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年

4 肖伟;声子晶体型周期复合结构禁带特性研究[D];华中科技大学;2007年

5 顾永伟;局域共振声子晶体的优化设计与模拟[D];上海交通大学;2009年

6 蔡力;声子晶体弹性波传播特性研究[D];国防科学技术大学;2008年

7 赵寰宇;二维阿基米德格子声子晶体特性研究[D];北京工业大学;2011年

8 李凤莲;计算二维声子晶体带隙及响应谱的边界积分方程法研究[D];北京交通大学;2011年

9 刘军;高Q声子晶体声波传感机理及实验研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

10 付志强;一维/准一维变截面声子晶体的研究及在功率超声中的应用[D];陕西师范大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王海洋;二维组合声子晶体薄板振动性能研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

2 沈耀辉;二维三组元局域共振型声子晶体稳态响应研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

3 邱春印;二维声子晶体的层间多重散射理论及声子晶体相关的应用设计[D];武汉大学;2005年

4 冯昆;二维三组元声子晶体低频稳态响应探究[D];哈尔滨工业大学;2011年

5 王连坤;用于声子晶体检测的光外差测量技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

6 武维维;一维声子晶体透射谱的理论研究[D];华中科技大学;2011年

7 徐永刚;周期与非周期性一维声子晶体能带特性研究[D];陕西师范大学;2013年

8 胡爱珍;声子晶体缺陷态的温度控制及兰姆波禁带的低频调节[D];广东工业大学;2015年

9 曹惠娴;几个二维声子晶体中的类狄拉克点色散关系研究[D];华南理工大学;2015年

10 潘旭东;周期杆中高频纵波的频带分析[D];兰州大学;2015年

，

本文编号：723694