一种镶嵌薄膜共振型材料的吸声性能研究

为了解决现有吸声材料对低频噪声衰减弱及吸收差的现状,该文提出了一种镶嵌薄膜共振型材料结构。其中镶嵌到条形薄膜上的结构单元作为拍动体,此时结构单元与背衬薄膜之间存在一定耦合作用,使行波在两部分间的局域共振作用削弱或存在很少反射。通过有限元仿真分析得到吸收峰值下的模态振型,进一步证明了材料的吸声机理。实验表明,该结构对100~1 000Hz内的声波具有很好的吸收效果,单层材料结构随着空腔距离的增大,吸收峰提前,而峰值基本不变。两层材料结构的吸声效果远大于单层材料结构,这解决了低频噪声问题。     

低频小型化兰姆波谐振器的研究

针对低频声学器件的小型化、大带宽问题,该文基于Y切-铌酸锂压电薄膜激发了反对称A0兰姆波模式,并采用有限元法对A0模式进行了结构设计与理论分析。研究了铌酸锂切型、电极材料、金属化比及膜层厚度变化对声速和机电耦合系数等性能的影响。结果表明,特定结构下,与常规声表面波相比,A0模式兰姆波声速较小,机电耦合系数较大,有利于低频声学滤波器小型化设计。通过研究不同结构对谐振器A0模式兰姆波的横向模态的影响,实现了杂波抑制。     

倾斜长周期光纤光栅薄膜传感器特性研究

为设计高灵敏光纤光栅薄膜传感器,基于耦合模理论研究了表面镀制高折射率敏感薄膜的倾斜长周期光纤光栅（TLPFG）耦合特性和薄膜折射率传感特性。TLPFG能激发高阶（角向序数l1）包层模耦合,高阶包层模耦合系数随倾角增大而增大,80时,高阶包层模耦合系数远小于1阶包层模耦合系数。研究表明,光栅倾角变化不影响包层模耦合谐振波长,但影响光谱透过率。进一步研究了TLPFG在80时1阶5次包层模耦合的光谱透过率对薄膜折射率变化的响应,分析了光栅结构参数（L、、）和薄膜参数（h3,n3）对薄膜折射率响应灵敏度的影响,结果表明,响应灵敏度相比于非倾斜LPFG可提高一个数量级,对薄膜折射率的分辨率可达10-9。     

基于亮模式调控的双频等离激元诱导透明超材料

设计了一种太赫兹波段双频等离激元诱导透明(DBPIT)超材料。该超材料由位于中央的空竹(Diabolo)型结构单元 和对称分布于其两侧的不同尺寸的两个开口谐振环(SRR)组合而成,空竹结构单元和两 个SRR分别充当该体系的亮、暗 模式谐振器。数值仿真结果表明,超材料透射频谱具有明显的双透明窗特征,通过调节亮 模式的几何尺寸,可以实现对双透 明窗透射幅度的调控。基于经典的三谐振子模型(three-oscillator model)及表面等 离激元(surface plasmon theory)理论, 阐述了DBPIT效应的物理机制:亮模式分别与两个暗模式之间的近场强耦合。亮模式采用 具有磁场增强功能的空竹结构, 有助于提高暗模式的磁场响应,进而大幅度增强亮、暗模式之间的耦合,达到提高透明 窗透射幅度的目的。这项工作为设计 具有高度灵活性的多波段功能器件(如慢光器件、可调谐传感器和多波段选择性开关器 件)开辟了新的途径。     

望远镜次镜钢索支撑结构动力学分析

为了增加大口径望远镜次镜支撑结构第一阶固有频率,采用施加有预紧力的八根钢索取代原有的四翼梁结构。文中首先根据Euler-Bernoulli梁理论将此次镜支撑结构简化为一个由质量点和梁组成的简化模型并使用变分法得出系统固有频率表达式以及系统第一阶固有频率;然后以1.23 m望远镜为例,计算得出预紧力为20 000 N时系统第一阶固有频率为18.9 Hz与有限元仿真软件ANSYS得出的17.8 Hz相比误差为6%,证明了简化的可行性与理论的正确性。最后通过分析次镜室质量不变的情况下,不同主镜口径下预紧力与次镜支撑结构第一阶模态的关系,得出对于1.23 m望远镜,施加70 000 N的预紧力即可以使一阶模态达到34 Hz,对于2 m、4 m口径的望远镜,通过调节预紧力,可以将一阶频率控制在20 Hz以上的结论。文中的方法可以用于类似结构的动力学特性计算;同时这种结构具有较高的抗扭转刚度,并能够有效减轻次镜支撑结构的重量,对于大口径光学系统的设计有很好的指导意义。     

谐振-传输线复合结构左手材料设计

提出了一种谐振-传输线复合结构左手材料单元.该结构基于谐振型左手材料、复合左右手传输线理论设计,可在不同排列方式下产生多种左手特性.基于曙光云计算服务平台,分析了该材料单元结构的谐振特性、单元阵列的传输线特性,并进一步对其谐振特性中的负折射特性进行了仿真验证.实验表明:单一结构单元条件下,该结构可体现出由谐振特性产生的左手频带;在阵列条件下,可同时体现出左右手传输线特性以及谐振型左手特性.该结构的多种左手特性,或可在5.8 GHz频率范围内民用级微波器件领域获得广泛应用.     

基于ZnO/SiO_2/Si多层结构瑞利波的特性研究

利用射频(RF)磁控溅射法沉积(002)ZnO薄膜和SiO_2薄膜于Si基底,研制(002)ZnO/IDT/SiO_2/Si结构的声表面波延迟线,并通过3D有限元法仿真分析该结构所激发的瑞利波的声学特性,如相速度、机电耦合系数k~2等。通过实验验证,发现二者吻合较好。分析了ZnO薄膜的厚度对瑞利波特性的影响发现,当ZnO厚为8μm时,k~2取得最大值(为3.88%)。同时,分析了(110)ZnO/IDT/SiO_2/Si结构所激发瑞利波的声学特性,结果显示,当ZnO薄膜的厚为8μm时,k~2取得最大值(为5.5%)。     

基于消失模耦合的脊波导滤波器设计方法

针对传统脊波导滤波器设计中没有考虑耦合结构频率特性导致设计精度不高的问题,文中提出了一种基于消失模耦合的脊波导滤波器设计方法。该方法将工作于消失模状态下的矩形波导结构等效为频变阻抗变换器模型,通过等效电路变换将耦合结构的频变特性影响转换为对传输线谐振腔电抗斜率参数的影响,采用逐级仿真策略确定滤波器结构尺寸,避免了耗时的全波仿真优化。最后,通过一个4阶切比雪夫特性的脊波导滤波器设计实例进行验证。全波仿真结果显示了与理论设计相同的通带内等波纹特性,验证了所提方法的有效性。     

Mg_xZn_(1-x)O压电薄膜表面粗糙度对SMR性能的影响

固体装配型谐振器(SMR)由布拉格反射层上的两个电极及它们之间的压电层制备而成。布拉格层是厚度为1/4波长的高低声阻层结构。ZnO压电薄膜是用来制备SMR的传统压电材料,但却拥有低的纵向声学速度和相对固定的频率响应。由ZnO和MgO合成的三元化合物MgxZn1-xO薄膜是一种高声速、高电阻的压电材料,有很大的潜能用于SMR。MgxZn1-xO薄膜表面的粗糙度对SMR的谐振特性有很大影响。通过射频磁控溅射的方法制备了MgxZn1-xO薄膜,研究了不同射频磁控溅射条件对MgxZn1-xO薄膜表面粗糙度的影响。通过控制淀积条件,获得了c轴择优取向的表面光滑的MgxZn1-xO压电薄膜。通过优化MgxZn1-xO薄膜表面粗糙度,SMR的性能能够得到显著提高。     

形变稳定的负磁导率超材料双频柔性天线

为了解决力学形变对柔性天线电磁特性影响的问题,设计了一种形变稳定的柔性天线,利用加载负磁导率超材料结构增加天线的新频段,使天线工作于2.45GHz和5.80GHz频段。分析了负磁导率超材料结构增加天线频段的机理与影响因素,进而总结了电磁-力学多物理场耦合特性。天线整体尺寸为0.24λ0×0.20λ0(λ0为2.45GHz时自由空间的波长),厚度仅为0.001λ0,实验结果表明天线在弯曲半径R为10～50mm时频段参数不变。可见加载负磁导率超材料结构单元可以增加天线频段,在一定的力学形变条件下电磁特性仍保持稳定,满足柔性天线超薄小型化的设计需求。     

Acoustooptic interactions in AlGaAs-GaAs planar multilayerwaveguide structures

The acoustooptic interaction of guided optical waves and surface acoustic waves (SAW's) is studied in multilayered structures of dimensions of the order of those seen in multiple-quantum-well (MQW) structures. The guided mode profiles and SAW-induced electric field and strain profiles are used to calculate the diffraction efficiency, using an expression derived from coupled mode theory. Diffraction efficiency is plotted as a function of SAW frequency, and the effects of acoustic power, acoustic aperture, and material structure are considered. For a specific structure, the diffraction efficiency is seen to increase with increasing aluminum content for low concentrations and the opposite is seen for higher concentrations. This is explained in terms of the opposing effects of guided optical mode parameters and material properties. Possibilities for optimization of the diffraction efficiency through tailoring of the refractive index profile of the material structure are suggested     

多层结构氧化锌薄膜制备

介绍了高频声体波微波延迟线用多层结构氧化锌薄膜的制作方法，并对这种交替排列不同结晶取向的多层氧化锌薄膜的微观结构、成膜机理进行了分析和阐述。用具有不同机电耦合系数、厚度为半波长的交替排列多层氧化锌薄膜制成了中心频率为８ＧＨｚ的声体波微波延迟线。同时亦给出了这种新结构的氧化锌压电材料的生长条件及相应的实验结果     

Flexible Inorganic Piezoelectric Acoustic Nanosensors for Biomimetic Artificial Hair Cells

For patients who suffer from sensorineural hearing loss by damaged or loss of hair cells in the cochlea, biomimetic artificial cochleas to remedy the dis­advantages of existing implant systems have been intensively studied. Here, a new concept of an inorganic‐based piezoelectric acoustic nanosensor (iPANS) for the purpose of a biomimetic artificial hair cell to mimic the functions of the original human hair cells is introduced. A trapezoidal silicone‐based membrane (SM) mimics the function of the natural basilar membrane for frequency selectivity, and a flexible iPANS is fabricated on the SM utilizing a laser lift‐off technology to overcome the brittle characteristics of inorganic piezoelectric materials. The vibration amplitude vs piezoelectric sensing signals are theoretically examined based on the experimental conditions by finite element analysis. The SM is successful at separating the audible frequency range of incoming sound, vibrating distinctively according to varying locations of different sound frequencies, thus allowing iPANS to convert tiny vibration displacement of ≈15 nm into an electrical sensing output of ≈55 μV, which is close to the simulation results presented. This conceptual iPANS of flexible inorganic piezoelectric materials sheds light on the new fields of nature‐inspired biomimetic systems using inherently high piezoelectric charge constants.     

Acoustooptic properties of a weakly multimode solid core photonic crystal fiber

The acoustic and acoustooptic properties of a weakly multimode solid core photonic crystal fiber (PCF) are studied. The phase velocity of the lowest order flexural acoustic mode is measured as a function of frequency and compared with the results for a hollow core PCF and a standard optical fiber. Acoustooptic interaction is used to couple light from the lowest order to the first higher order optical modes of the solid core PCF. The experimental results are compared with theoretical predictions.     

基于主动约束阻尼层的次镜支撑结构设计

为了提高空间望远镜次镜支撑结构的动力学性能,利用主动约束阻尼层对次镜支撑结构进行了设计,主动约束阻尼层在柔性结构表面覆盖阻尼材料和压电陶瓷材料,是对柔性结构进行振动抑制的有效手段。首先建立了主动约束阻尼层的有限元模型,采用比例微分控制算法对压电陶瓷进行闭环控制,分析了阻尼材料厚度和控制增益对支撑结构阻尼特性的影响,结果表明增大阻尼层厚度或增大控制增益能够提高结构阻尼特性,但增大阻尼层厚度同时也会降低压电陶瓷的驱动性能。对空间望远镜整体结构的分析结果显示,覆盖主动约束阻尼层后支撑结构的固有频率会略微降低,但是次镜位置的频率响应明显下降,次镜的面型精度也有提高。     

电容式微机械超声换能器封装设计

针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立封装结构三维有限元模型,通过模态分析和静态分析分别得到封装结构的固有属性和水下机械性能。封装结构的一阶共振频率为792.47Hz,不会对CMUT 400kHz的工作频段产生干扰。利用压力平衡装置保护水下系统安全性,水下10m最大形变为1.12mm,最大应力为14.4 MPa,未超过聚氯乙烯的弯曲强度。实际测试声压与理论值最大误差为4.8%,物距测量误差为1mm,设计的CMUT封装结构满足设计要求。     

Theory of oscillator instability based upon structure functions

Structure functions are apparently unfamiliar to most engineers and the unifying role they play in oscillator instability theory has largely gone unrecognized. This paper introduces and places into perspective the role which Kolmogorov structure functions have in theory. It is demonstrated that the rms fractional frequency deviation (phase accumulation) introduced by Cutler and Searle is related to the first phase structure function; the two-sample Allan variance is related to the second phase structure function. In addition, it is shown how the two-sample Allan variance is related to the rms fractional frequency deviation under suitable conditions. The L-sample Allan variance is also identified in terms of the first phase structure function; it is shown to be an asymptotically unbiased estimator of the rms fractional frequency deviation squared if the latter existL The utility of higher order structure functions of frequency and phase in the theory of instability is also demonstrated; in particular, how the frequency drift and "flicker"-type noise convergence problems can be overcome.     

微米级PZT驱动器尺度相关的自由振动分析

根据修正偶应力理论和哈密顿原理,并结合经典的层合梁理论,推导出具有层合结构、考虑力 电耦合作用的微米级均质、非均质锆钛酸铅(PbZrTiO3,PZT)智能驱动器尺度相关的运动控制方程和固有频率。通过引入的材料内禀特征尺寸参数,成功捕获了微米级PZT智能驱动器的尺寸效应。数值分析显示,不同基体材料对微米级均质、非均质PZT智能驱动器归一化固有频率影响较小;压电层厚度不变,随着基体厚度增加,微米级PZT驱动器尺寸效应逐渐变小;随着结构特征尺寸逐渐增大,尺寸效应逐渐消失。     

分离母板互联结构动力学仿真研究

运用有限元分析软件ANSYS建立了电子产品中分离母板互联结构的有限元模型,通过模态分析获得其固有频率和振型;通过随机振动分析获得其应力应变。结果表明:分离母板互联结构的一阶固有频率为137.04Hz;随机振动环境中分离母板互联结构的接缝外侧为应力集中区,在y向激励下的应力最大值为1770.000kPa。据此对产品结构进行了设计改进,并取得明显效果,一阶固有频率提高到107510.00Hz,y向激励最大应力值为70.086kPa。