声子晶体谐振器及其声能采集器研究

发布时间：2017-06-25 21:02

  本文关键词：声子晶体谐振器及其声能采集器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：声子晶体在减振除噪、声聚焦成像、隐身等领域具有广泛的应用前景,特别是含点缺陷的声子晶体(即声子晶体谐振器)因为其缺陷态而引起的声波局域化效应能够有效地局限汇聚声波、放大声压,所以声子晶体谐振器可以应用于声能采集技术等。但是当前已有的声子晶体谐振器因其较小的声压增益、极低的谐振Q值导致较低的声能采集效率,从而限制了其在声能采集领域的进一步广泛应用。声能采集技术的开发可以为低功耗的电子器件供能从而解决其电池问题,同时还能给环境降噪。但现实环境中声能密度低且声波来源为多个方向,因此如何设计大声压增益、高谐振Q值的声子晶体谐振器来实现高效、多方向的声能采集成为相关研究的难点与重点。本论文在国家863计划和国家自然科学基金的资助下从理论与实验两方面对声子晶体谐振器结构进行了深入的研究,并且探索了声子晶体谐振器在声能采集器方面的应用。论文的具体工作和主要研究内容如下:1)提出了一种双层耦合声子晶体谐振器结构,它由两个不同大小的采用圆柱体散射体的声子晶体谐振器相嵌套而成,声子晶体谐振器之间的声波耦合作用增强了整个耦合结构的声波局域化效应并提高了其谐振声压增益。对比分析了单层和双层耦合声子晶体谐振器的带隙特性、声波局域化效应及声压增益谱,并建立声压增益测试系统对单层、双层耦合声子晶体谐振器的声压增益频谱进行了测量。实验结果表明:与单层声子晶体谐振器相比,双层耦合声子晶体谐振器结构拥有更强的声波局域化效应和2.1~3.3倍的谐振声压增益。实验结果与理论分析吻合。2)提出了一种多层耦合声子晶体谐振器结构,由不同散射体大小、数目的多个声子晶体嵌套而成。各层声子晶体的带隙及缺陷带之间的交叉耦合作用导致多层耦合声子晶体谐振器其能带结构中出现了对应强声波局限模态的超平坦通带,因此多层耦合声子晶体谐振器拥有更强的声波局域化效应和更大的谐振声压增益。分析了不同耦合层数对声子晶体谐振器的带隙特性、声压增益谱、谐振Q值的影响。分析结果表明,多层耦合声子晶体谐振器的声压增益峰值与耦合层数成正比,声压增益峰值的增率与层数的平均变化率约为2.73倍/层。与相同大小的单层声子晶体谐振器相比,五层耦合声子晶体谐振器拥有33.9倍的声压增益峰值和36.7倍的谐振Q值。3)提出了一种采用十字板的高Q值、大声压增益的声子晶体谐振器(Cr-PCR)。十字板独有的凹角对声波的强方向性散射导致了强烈的声波局域化效应,从而产生了高谐振Q值、大声压增益的多声波局限点。主要分析了十字板厚度对声子晶体谐振器的能带结构、谐振频率、声压增益及谐振Q值的影响。实验测量并对比了提出的Cr-PCR与传统采用圆柱体散射体的声子晶体谐振器(Cy-PCR)的声压增益谱和谐振Q值。实验结果显示:提出的Cr-PCR结构在各声波局限点呈现出2020~3535的谐振Q值和14.3~16.6的谐振声压增益;它们分别是传统Cy-PCR结构相应参数的202~353.5倍和5.3~6.1倍。实验结果与理论分析吻合。4)提出了一种亚波长、大声压增益的多级局域共振声子晶体谐振器结构,其散射体采用多个亚波长共振的赫姆霍兹谐振器的嵌套结构。各个多级赫姆霍兹谐振器辐射出的被其增强放大的声波,在声子晶体谐振器腔体中心处发生同相叠加,从而在亚波长范围内产生强的声波局域化效应及大的声压增益。分析不同嵌套级数、不同取向的赫姆霍兹谐振器散射体对声子晶体谐振器的能带结构、谐振频率、声压增益的影响。分析结果表明提出的亚波长多级局域共振声子晶体谐振器,在赫姆霍兹谐振器散射体同向非对称分布和非同向对称分布时的最大声压增益,分别是传统采用刚性散射体声子晶体谐振器的4.2倍和5.9倍。此外在同向非对称分布时,提出的声子晶体谐振器拥有极低谐振频率,相应的谐振波长约为晶格常数的4.6倍。5)提出一种利用小静磁场调整声子晶体性能的方法。将永磁体固定在散射体上,永磁体在外部静磁场的作用下产生磁扭矩效应而带动散射体发生变形,声子晶体的晶格常数及能带结构因而发生较大改变,声子晶体的性能(如透射谱)也产生较大变化,结果表明一个130 Oe大小的外静磁场可以显著地改变声子晶体器件的性能,该磁场阈值大约只有先前相关研究的1/100。6)提出了采用声子晶体谐振器与机电赫姆霍兹谐振器(EMHR)相结合的高效、多方向声能采集器。声子晶体谐振器与机电赫姆霍兹谐振器之间的强声场耦合作用增强了声波的汇聚效应,从而提高了声能采集效率。建立了声能采集器输出电压谱及输出电压、功率的阻抗特性实验测试系统,对比了提出的两种声能采集器的输出电压及功率特性,同时研究了提出的声能采集器对多方向声波激励的电压响应输出。最后测试了声能采集器结合后端电源管理电路时对无线传感节点的驱动能力。声子晶体谐振器的选择有两种,一种是采用圆柱体散射体的传统声子晶体谐振器(Cy-PCR),对应的采集器为Cy-PCR/EMHR;另一种是提出的具有高Q值、大声压增益的采用十字板散射体声子晶体谐振器Cr-PCR,对应的采集器为Cr-PCR/EMHR。实验结果表明:与传统单独采用Cy-PCR或EMHR的声能采集器相比,采用Cy-PCR/EMHR的声能采集器具有23倍、262倍的最大采集效率;而在声波多个方向激励时,采用Cr-PCR/EMHR声能采集器的最大输出功率体密度是采用Cy-PCR/EMHR声能采集器的13.6~22倍。7)构建了一种采用声能采集器、后端电源管理电路和无线传感器节点的声能供电式无线传感器节点。实验测试了电源管理电路的充放电特性,并测试了其对无线传感器节点的驱动能力。实验测试结果表明,在100 d B的声波持续45.5分钟激励下,声能采集器结合后端电源管理电路驱动了最大功耗为78 m W的无线传感器节点一个周期620 ms的数据采集、发送工作。
【关键词】：声子晶体 声子晶体谐振器 声波局域化效应 机电赫姆霍兹谐振器 声能采集器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O735
【目录】：

• 中文摘要3-6
• 英文摘要6-13
• 1 绪论13-35
• 1.1 研究目的及意义13-14
• 1.2 声子晶体研究现状14-18
• 1.2.1 一维声子晶体14-15
• 1.2.2 二维声子晶体15-17
• 1.2.3 三维声子晶体17
• 1.2.4 声子晶体缺陷态17-18
• 1.3 能量采集研究现状18-27
• 1.3.1 太阳能量采集18-20
• 1.3.2 振动能量采集20-22
• 1.3.3 电磁场能量采集22-23
• 1.3.4 流体能量采集23-25
• 1.3.5 热能能量采集25-26
• 1.3.6 声能量采集26-27
• 1.4 声能采集技术27-33
• 1.4.1 直接声能采集27-28
• 1.4.2 采用赫姆霍兹谐振器的声能采集28-32
• 1.4.3 采用声子晶体谐振器的声能采集32
• 1.4.4 不同声能采集技术对比32-33
• 1.5 存在的问题及主要研究内容33-35
• 2 声子晶体理论基础35-51
• 2.1 引言35
• 2.2 能带理论35-41
• 2.2.1 倒格矢空间35-36
• 2.2.2 Brillouin区和Bloch定理36-38
• 2.2.3 能带结构38-39
• 2.2.4 缺陷态特性及声波局域化效应39-41
• 2.3 声子晶体理论模型和研究方法41-50
• 2.3.1 平面波展开法41-46
• 2.3.2 有限元法46-50
• 2.4 本章小结50-51
• 3 多层耦合声子晶体谐振器51-71
• 3.1 引言51
• 3.2 双层耦合声子晶体谐振器51-60
• 3.2.1 能带结构52-55
• 3.2.2 增强型声波局域化效应55-57
• 3.2.3 实验样品及测量系统57-59
• 3.2.4 实验结果及讨论59-60
• 3.3 多层耦合声子晶体谐振器60-68
• 3.3.1 能带结构62-66
• 3.3.2 增强型声波局域化效应66-68
• 3.4 本章小结68-71
• 4 异质声子晶体谐振器71-93
• 4.1 引言71
• 4.2 十字型散射体声子晶体谐振器（Cr-PCR）71-80
• 4.2.1 能带结构及透射谱71-73
• 4.2.2 声波局限模态73-75
• 4.2.3 高Q值形成机理75-79
• 4.2.4 实验样品及测量系统79
• 4.2.5 实验结果分析79-80
• 4.3 多级局域共振型声子晶体谐振器80-88
• 4.3.1 能带结构81-85
• 4.3.2 声压增益特性85-88
• 4.4 声子晶体器件的可调性88-92
• 4.4.1 工作原理89-90
• 4.4.2 能带结构的可调性90-92
• 4.5 本章小结92-93
• 5 采用声子晶体与机电赫姆霍兹谐振器式声能采集器93-113
• 5.1 引言93
• 5.2 采用Cy-PCR/EMHR型声能采集器93-103
• 5.2.1 声子晶体谐振器Cy-PCR的工作机理94-96
• 5.2.2 机电赫姆霍兹谐振器EMHR工作机理96-99
• 5.2.3 实验样品及测试系统99-101
• 5.2.4 实验结果及分析101-103
• 5.3 采用Cr-PCR/EMHR型声能采集器103-111
• 5.3.1 Cr-PCR/EMHR耦合结构工作机理104-105
• 5.3.2 实验样品及测试系统105-106
• 5.3.3 实验结果及分析106-111
• 5.4 本章小结111-113
• 6 声能供电式无线传感器节点设计及性能测试113-121
• 6.1 引言113
• 6.2 声能供电式无线传感器节点设计113-118
• 6.2.1 声能采集器114-116
• 6.2.2 电源管理电路116-118
• 6.3 声能供电式无线传感器节点性能测试118-120
• 6.3.1 充电特性测试118-119
• 6.3.2 节点驱动测试119-120
• 6.4 本章小结120-121
• 7 结论121-125
• 致谢125-127
• 参考文献127-141
• 附录141-143
• A. 攻读博士学位期间发表的相关论文141-142
• B. 攻读博士期间获得的荣誉142
• C. 攻读博士期间参与的相关课题142-143

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 朱学军,杨贤智;高速铁路噪声污染及其防治[J];上海环境科学;1997年12期

2 辜小安;日本新干线铁路噪声现状及控制[J];铁道劳动安全卫生与环保;2000年03期

3 曹永军;董纯红;周培勤;;一维准周期结构声子晶体透射性质的研究[J];物理学报;2006年12期

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本文编号：483492