二维钨—硅声子晶体表面波特性研究

发布时间：2017-09-16 11:38

  本文关键词：二维钨—硅声子晶体表面波特性研究

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【摘要】：声子晶体是由至少两种材料构成的具有弹性波带隙和周期性结构的复合材料。声波在声子晶体中传播的过程中,一些频率的声波会被抑制,从而形成了声子带隙。声子晶体及其相关理论的提出,为研发性能更为优越的声表面波器件提供了新思路.科学技术的突飞猛进,传统的材料已经远远不能满足人们的要求,具有特殊性能的复合材料的出现,在很大程度上缓解了这一矛盾。本学位论文着重从材料参数(杨氏模量、剪切模量以及密度)和外界环境(温度)两个方面入手,分析了二维钨-硅声子晶体能带结构的影响因素。应用平面波展开法计算了二维钨-硅声子晶体的能带结构,发现在结构函数一定的情况下,提高散射体的填充率,声子晶体的带隙不断变宽,达到峰值后,锐减为零。虚拟材料参数分析了其对二维固-固声子晶体能带结构的影响,研究发现:当散射体的剪切模量小于基体时,在填充率较低的情况下依然能够出现带隙,且随着填充率的增加,能带不断变宽,但总体上,所形成的声子晶体带隙较窄;而当散射体的剪切模量大于基体时,该声子晶体只有在较高填充率的情况下出现能带,且该能带较宽。密度对声子晶体能带结构的影响则恰恰相反,当散射体的密度小于基体时,在填充率非常高的情况下才能出现带隙,而当散射体的密度大于基体时,即使在填充率的很低的情况下依然能够出现能带结构。与前两者相比,杨氏模量的变化对二维固-固声子晶体能带结构的影响不是很明显,在散射体的密度和剪切模量与基体的非常接近时,即使让散射体与基体的杨氏模量之间相差三十个数量级,也不会出现声子晶体带隙。因此,得出了影响二维钨-硅声子晶体能带结构的主要因素是材料的密度和剪切模量,而杨氏模量对声子晶体的影响极小。结构函数和材料参数固然是决定二维声子晶体能带结构的主要因素,然而外界环境对声子晶体能带结构的影响也不可小觑。本论文通过分析温度变化对基体硅的相关参数的作用,进而推出温度对二维钨-硅声子晶体能带结构的影响。发现了随着温度的增加,声子晶体的能带结构具有向低频移动的倾向,并且能带宽度也变得越来越窄。最后,应用有限元方法分析了包覆层对二维钨-硅声子晶体能带结构的影响,研究发现,包覆层的声速对弹性波在二维钨-硅声子晶体表面传播的影响极大,当声子晶体包覆层的声速大于声子晶体基体声速时,施加在该声子晶体表面的激励耗散在包覆层中,该激励很难进入到声子晶体中;当声子晶体的包覆层声速小于构成该声子晶体基体的声速时,声波在声子晶体表面具有良好的传递性能.
【关键词】：声子晶体 能带结构 声表面波
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O735
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 引言10
• 1.2 声子晶体及相关概念10-12
• 1.3 声子晶体研究现状12
• 1.4 声子晶体带隙计算方法12-13
• 1.5 研究目的和内容13-16
• 1.5.1 研究目的13-14
• 1.5.2 研究内容14-16
• 2 声子晶体的理论基础16-21
• 2.1 引言16
• 2.2 弹性动力学基本方程16-17
• 2.3 晶格与能带理论17-19
• 2.3.1 晶格的基本知识17-18
• 2.3.2 Bloch定理18-19
• 2.4 理想声子晶体的结构模型19-21
• 3 材料参数对二维钨-硅声子晶体能带结构的影响21-32
• 3.1 引言21
• 3.2 二维钨-硅声子晶体的结构模型21-25
• 3.3 材料参数对二维固-固声子晶体能带结构的影响25-31
• 3.3.1 剪切模量对二维固-固声子晶体能带结构的影响25-28
• 3.3.2 杨氏模量对二维固-固声子晶体能带结构的影响28
• 3.3.3 密度对二维固-固声子晶体能带结构的影响28-31
• 3.4 二维钨-硅声子晶体能带结构形成的物理机制31-32
• 4 温度对二维固-固声子晶体能带结构的影响32-40
• 4.1 引言32
• 4.2 温度对材料参数的影响32-34
• 4.2.1 杨氏模量的计算方法32-33
• 4.2.2 热胀系数与杨氏模量33-34
• 4.3 温度对二维钨-硅声子晶体能带结构的影响34-40
• 4.3.1 温度对钨和硅材料属性的影响34
• 4.3.2 温度对二维钨-硅声子晶体能带结构的影响34-40
• 5 二维钨-硅声子晶体表面波特性研究40-49
• 5.1 引言40
• 5.2 二维钨-硅声子晶体的匹配层40-42
• 5.3 二维钨-硅声子晶体的能带结构42-43
• 5.4 弹性波在二维钨-硅声子晶体表面的传播43-49
• 6 结论与展望49-51
• 6.1 结论49-50
• 6.2 展望50-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-55
• 攻读学位期间的研究成果55

【参考文献】

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本文编号：862819