一维固液声子晶体的禁带特性研究

发布时间：2017-05-26 12:03

  本文关键词：一维固液声子晶体的禁带特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：声子晶体是具有弹性波带隙特性的新型复合材料。当弹性波在声子晶体中传播时,某些频率范围内的弹性波会被抑制,形成声子带隙。声子晶体的带隙特性能实现对弹性波的有效控制,在抑制声场辐射、减弱声场耦合、设计声滤波器以及制备声学功能器件方面具有广阔的应用前景。将声子晶体带隙特性引用到复杂板壳结构的设计中,既满足了板类结构在工程应用中的众多需求,又解决了板类结构的声振动和声场辐射问题,成为了近年来工程领域新的研究热点。随着新型复合功能材料的大量出现,某些固体材料仅能传递纵波,被认为是广义的液体介质,如聚乙烯、石英等,与固体浸入液体中的固液声子晶体相比,这一类“固液”介质声子晶体通常状态下均为固体,并能脱离液体环境介质。另外,自然界中许多天然石材,如花岗岩、大理石等都具有较强的硬度,还有一定的装饰作用;同时,聚合物、合金等新型人工复合材料加工测试技术日趋成熟。因而用天然石材、橡胶、合金和聚乙烯、石英构成的固液声子晶体所获得的弹性波带隙具有更强的可设计性。因此,本论文以花岗岩、聚乙烯、钢、硅橡胶、石英等天然石材和有机聚合物构建一维固液声子晶体,从声子晶体的结构和材料两个方面,分析它们对能带结构的影响。首先,利用传递矩阵法计算了一维固液声子晶体的透射特性。从透射谱的禁带、带边模、透射峰等参量的变化,分析了模型的材料、有序性、入射角度等条件对透射性的影响。研究发现:合成材料的声阻抗相差较大时,周期和准周期结构声子晶体均有禁带出现,并伴随带边谐振,但随着短程有序性的降低,准周期结构的禁带宽于周期结构,带边谐振增强,在禁带中出现了透射峰;合成材料的声阻抗接近时,没有明显的禁带产生;随着弹性波入射角度的增大,透射谱向高频移动,当入射角度大于临界角时,发生共振遂穿,在透射谱中出现透射峰。其次,利用有限元多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics计算了一维固液声子晶体薄板的能带结构。从薄板的长宽比、结构的有序性和缺陷态的引入,这三个方面分析了它们对色散曲线的影响。结果表明:一维固液周期结构声子晶体薄板,随着周期方向上尺寸的增加,禁带变宽且向低频移动;非周期方向上随着尺寸的增加,禁带没有明显变化;随着超原胞结构有序性的降低,禁带变宽且向低频移动,同时在低频区间内出现了明显的禁带。最后,利用有限元软件COMSOL Multiphysics计算了一维固液声子晶体薄板的传声损失。结合之前的透射谱和能带结构比较了它们与传声损失的异同,发现传递矩阵法和有限元法在分析一维固液周期结构声子晶体薄板禁带特性后,所得出的结论相吻合。随后,以花岗岩和聚乙烯构成的一维固液声子晶体薄板为模型,分析了模型结构的有序性对传声损失的影响。发现薄板模型的传声损失随着结构有序性的降低,声损失区间变窄,声损失变小,但损失区间个数增多且向低频移动;其次,通过等效替换引入钢、树脂、石英等缺陷来研究对传声损失的影响,发现缺陷的引入改变了模型基体和散射体的阻抗比和等效弹性常数,从而改变了模型周期性和声波的耦合情况。
【关键词】：弹性波 声子晶体 带隙 复合材料 有限元法
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O735
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 引言10
• 1.2 声子晶体研究现状10-14
• 1.3 声子晶体的基础知识14-17
• 1.3.1 声子晶体的概念和分类14-15
• 1.3.2 声子晶体中波传播特性表征方法15-16
• 1.3.3 声子晶体带隙的机理及特性16-17
• 1.4 声子晶体的研究方法17-18
• 1.5 声子晶体的降噪机理18-19
• 1.6 声子晶体的应用19-20
• 1.7 研究目的和内容20-21
• 1.7.1 研究目的20
• 1.7.2 研究内容20-21
• 2 声子晶体的理论基础21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 弹性动力学基础21-26
• 2.2.1 应力与应变21-24
• 2.2.2 弹性动力学基本方程24-25
• 2.2.3 弹性波25-26
• 2.3 晶格与能带理论26-30
• 2.3.1 晶格26-29
• 2.3.2 Bloch定律29-30
• 2.3.3 能带结构30
• 2.4 声子晶体的理论模型30-33
• 3 一维固液声子晶体的透射特性33-42
• 3.1 引言33
• 3.2 一维固液声子晶体模型及透射系数计算33-35
• 3.3 计算与讨论35-40
• 3.3.1 周期与准周期结构声子晶体透射特性35-36
• 3.3.2 不同材料构成的准周期声子晶体透射特性36-38
• 3.3.3 弹性波以不同角度入射周期和准周期声子晶体透射特性38-39
• 3.3.4 缺陷对周期和准周期声子晶体透射特性的影响39-40
• 3.4 小结40-42
• 4 一维固液声子晶体的能带结构42-54
• 4.1 引言42
• 4.2 一维固液声子晶体薄板模型及能带计算42-44
• 4.3 计算结果与讨论44-53
• 4.3.1 一维固液声子晶体薄板长宽比对色散曲线的影响44-46
• 4.3.2 一维固液声子晶体薄板结构有序性对色散曲线的影响46-51
• 4.3.3 缺陷对一维固液声子晶体薄板色散曲线的影响51-53
• 4.4 小结53-54
• 5 一维固液声子晶体薄板的传声损失54-61
• 5.1 引言54
• 5.2 一维固液声子晶体薄板模型及传声损失计算54-55
• 5.3 计算结果与讨论55-60
• 5.3.1 结构有序性对一维固液声子晶体薄板传声损失的影响56-58
• 5.3.2 缺陷对一维固液Fibonacci类准周期声子晶体薄板传声损失的影响58-60
• 5.4 小结60-61
• 6 结论与展望61-63
• 6.1 结论61-62
• 6.2 展望62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-69
• 攻读学位期间的研究成果69

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