可调声子晶体带隙研究

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近年来,声子晶体的带隙结构研究引起了人们的极大兴趣。声子晶体是由具有不同弹性性质的材料周期复合而成的。在它的能带结构中,能够观察到禁带现象:位于禁带频率范围内的弹性波将会被限制在此频率范围内而无法传播。根据声子晶体的这一特性,使得它被应用于减振、降噪、新型声学器件等工程领域中。除了存在带隙结构这一现象,声子晶体还表现出丰富的物理现象:缺陷态、Anderson局域化及表面态等。与此同时Lamb wave在周期结构中的传播特性也引起人们越来越多的关注。原因在于Lamb wave在无损检测中显示出巨大的潜力。特别是在船舶工业、航空工业及土木工程等领域,Lamb wave的无损检测得到了广泛的研究与应用。Lamb wave的另一重大应用是近年来发展起来的Lamb wave微传感技术,边界上物理、化学、生物等条件的变化引起Lamb wave传播速度的改变,测出声速的改变就可以推断出边界上微小质量、应力、粘滞等的变化,Lamb wave微传感器因其灵敏度高、体积小以及可以工作在液相中等特点,而在物理、化学、环境监测、生化过程等的实时监测方面具有潜在的应用价值。本文致力于Lamb wave在周期结构声子晶体、准周期结构声子晶体及厚度调制的周期声子晶体中传播禁带现象的研究。第一章绪论部分概述了声子晶体的发展背景,目前对声子晶体带隙结构进行研究的主要研究方法及对声子晶体的应用做了简单介绍。第二章介绍了有关于声子晶体的基本概念和能带理论的基本概念。还介绍了本文研究所使用的多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics的应用。第三章应用平面波展开法研究了Lamb wave在一维周期结构及一维准周期结构声子晶体的能带结构。分析了一维准周期材料中L/D,各准周期基数对Lamb wave禁带分裂的影响。第四章介绍了Lamb wave在厚度调制的声子晶体的带隙结构。分别利用平面波展开法、传递矩阵法及COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件计算了Lamb wave在厚度调制的周期结构材料中的传输能量谱。并且将这三种方法计算得到的能带图进行比较,取得了很好的一致。第五章介绍了Lamb wave在一维周期管状结构的声子晶体的禁带结构。分析了它的禁带结构。第六章给出了本文的主要结论。本研究工作对Lamb wave理论与技术的贡献在于:1.本文利用平面波展开法、传递矩阵法和多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics研究Lamb wave在周期结构材料中的传播特性。证明了Lamb wave在周期结构材料中传播同样存在禁带。2.研究了Lamb wave在一维准周期结构板中的禁带结构。和周期结构中的Lamb wave禁带进行了比较,发现了在一维准周期材料中Lamb wave禁带发生了分裂现象,并且禁带分解的数目随着L/D参数的变化而变化,同时当准周期序列的基数变化时,Lamb wave的禁带也会发生变化。3.对周期结构中的材料B进行厚度调制,将得到厚度调制的声子晶体,研究Lamb wave在厚度调制结构中传播的带隙现象。发现不同的调制参数及不同的调制强度均会对Lamb wave禁带产生影响。
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