蜂窝晶格和Kagomé晶格二维光子晶体带隙特性研究

应用平面波展开方法(PWM)计算了蜂窝晶格和Kagomé晶格二维介质柱光子晶体带隙结构。结果表明蜂窝晶格和Kagomé晶格二维介质柱光子晶体存在对应TE、TM模的带隙,并且在某些条件下存在完全带隙。比较而言,蜂窝晶格结构光子晶体存在更大的完全带隙。     

复式(4.82)晶格声子晶体的低频完全带隙实验研究

为了设计新型低频降噪材料,基于复式晶格可以降低晶体结对称性与打开低频带隙的特征,以单胞含4个"原子"的复式(4.8~2)晶格钢/水声子晶体为研究对象,通过实验测试了第一布里渊区ΓX和ΓM方向带隙的性质,并进一步分析了完全带隙边界点的本征模态特点,阐述了其声波能量分布规律.实验结果表明:低频的2个完全带隙频率范围与有限元法计算值较为一致.     

用平面波展开方法计算二维光子晶体带隙结构

应用平面波展开方法(PWM)计算了三角晶格和正方晶格二维空气柱光子晶体带隙结构。结果表明三角晶格和正方晶格二维空气柱光子晶体存在对应TE、TM模的带隙,并且在某些条件下存在完全带隙。比较而言,三角晶格结构光子晶体存在更大的完全带隙。     

基于椭圆散射体的二维三角晶格声子晶体带隙

采用降低对称性改变带隙宽度及位置的思想,以椭圆柱体代替圆柱体构成二维三角晶格钢/空气声子晶体,利用平面波展开法计算其能带结构.结果表明,由于采用椭圆柱体降低了散射体的对称性,从而打开一条新的低频带隙,并且在一定的填充率范围内获得更宽的带隙.此外,散射体截面越接近于圆越容易打开高频带隙;反之,散射体的椭圆截面越扁,越利于打开低频带隙.该研究为声子晶体在低频减振和噪音控制的工程应用方面提供了一种思路.     

二维十字排列椭圆孔声子晶体带隙研究

采用有限元及实验方法,研究二维十字排列椭圆孔声子晶体中弹性波传播的带隙以及人为引入的夹杂对带隙的调控. 当声子晶体薄板沿板厚方向均匀施加面内激励时,将激发面内的动力响应,对应于平面应力状态. 基于逆向思维,针对二维十字排列椭圆孔声子晶体薄板,建立平面有限元模型,计算该模型沿晶格ΓX方向的波动传输特性,分析孔洞长短轴之比、孔隙率和线缺陷等因素对带隙及弹性波传播特性的影响. 制作与计算模型同尺寸的声子晶体试样进行传输特性实验,测试结果与有限元仿真结果吻合. 结果表明,带隙的宽度随着椭圆孔长短轴比例的增加而增大,可以通过引入合适的线缺陷来反向调控声子晶体的带隙.     

任意散射体二维声子晶体的带结构计算方法

通过将二维任意形状散射体的声子晶体单元离散化,采用数值积分的方法,解决了其结构函数求解中的积分问题,从而改进了现有的平面波算法,使之能够计算二维任意单元结构正方晶格声子晶体的带结构.通过对比采用传统的以及本文中改进的平面波算法分别计算得到的规则单元结构声子晶体的带结构,验证了文中算法的正确性.采用文中改进的平面波算法,可方便地对二维声子晶体的单元结构进行拓扑优化,从而改进其带隙特性.     

ZnO基二维光子晶体的带隙研究

用平面波展开法研究以ZnO为背景介质,由周期性排列的空气圆孔柱、椭圆孔柱和正方孔柱分别构成的三角晶格结构的光子晶体,计算在不同参数条件下光子晶体的能带曲线.研究结果表明,通过调控孔柱和晶格常数的大小,可以改变光子晶体带隙位置和宽度;对于所有ZnO基三角晶格结构空气孔二维光子晶体,TE模比TM模带隙更宽;正方空气孔柱光子晶体的带隙比圆柱和椭圆柱光子晶体的带隙要宽.     

声子晶体的传输特性研究

为探究声子晶体的声波控制机理,研究了声波在声子晶体中的传播行为.通过分析声波激励声子晶体元胞的局域共振响应特性,计算了局域共振型声子晶体的频率响应.运用comsol软件模拟线声源激励在声子晶体薄板后汇聚成点声源.基于光外差测量平台进行了声传输实验,测量汇聚点的声压,并利用NE564组成中心频率为40 MHz锁相环电路来解调声子晶体表面振动信息.运用Matlab处理数据得到声子晶体的频率响应函数,即声子晶体传输特性.实验结果表明,共振频率可以确定声子晶体带隙,减小包覆层橡胶的刚度以降低带隙频率.     

二维复合三角格子光子晶体FDTD带隙结构分析

设计一种二维复合三角晶格结构光子晶体,采用时域有限差分法数值计算了这种光子晶体的带隙结构。计算结果表明,介质圆柱在空气中按复合三角形排列存在E偏振和M偏振模完全重叠的光子带隙区,即具有绝对光子带隙。绝对光子带隙的宽度与介质柱的介电常数有关,介电常数差越显著越有     

一类局域共振型声子晶体梁的带隙分析

针对局域共振带隙生成机理问题,给出一类由树脂基体、硫化橡胶套和铅套所构成的一维局域共振型声子晶体梁结构,并对其弯曲振动传输特性进行有限元分析,研究带隙起止频率的形成机理,给出相应的简化计算模型.结果表明:该声子晶体梁能够产生低频带隙;带隙的起始频率由局域振子的摆动模式决定,相邻振子间相位排列关系不具有明显的规律性;带隙...     

含共振单元的单相3维声子晶体设计及其带隙特性研究

局域共振型声子晶体具有低频段的弹性波带隙特性,在振动与噪声控制工程领域有着重要的应用前景。三维局域共振型声子晶体的结构形式目前主要是基于多组元材料体系,在面向工程实际的制造和应用方面存在局限。对此,本文提出一种可实现低频局域共振带隙的单相三维声子晶体结构,利用有限元方法计算了声子晶体的能带结构、振动模态和传输特性。结果表明：该结构在具有高频带隙的同时,可在归一化频率低于0.1的范围内打开相对带隙宽度超过20%的低频弹性波带隙。结构中球形质量单元和连接体的局域共振是该低频带隙产生的主要原因。结构材料属性的变化影响带隙频率值的实际大小,而结构几何参数决定带隙在整个能带结构中出现的相对位置。通过改变结构材料参数和几何参数,可以实现对低频带隙边界和带隙宽度的调控。带隙的进一步拓宽可以通过构造几何参数渐变的组合结构来实现。本文所提出的单相三维声子晶体结构可用于低频减振降噪材料和器件的设计开发。     

一维杆状Thue-Morse(TM)准周期结构声子晶体带隙特性的研究

提出了一维杆状TM准周期结构声子晶体模型,采用有限元法计算了其带隙特性并与周期结构进行了比较。研究表明,TM序列准周期结构声子晶体可以有效地拓宽带隙宽度且能降低起始频率,而且在带隙范围内产生了具有高品质因子的局域共振模;此外还发现,不同代次的TM序列、不同排序的材料组合都不影响其带隙范围,但改变材料参数(密度和弹性模量)却能改变其带隙范围。此研究可供其在减振降噪、滤波、波导等方面的设计和实际应用参考。     

不同填充率时三组元声子晶体缺陷态

运用基于平面波的超元胞方法,研究作为缺陷引入第三组元材料(四氯化碳)对二维二组元声子晶体(水/水银)带结构的影响。结果表明:当缺陷柱填充率发生变化时,原带隙的位置、宽度变化不大;缺陷带频率主要受第三组元材料物性参数的影响;当正常插入体填充率发生变化时,原带隙的位置、宽度都发生了改变,同时也影响缺陷带的出现,且这些缺陷态都是局域化的。因此,在具有宽带隙的二组元体系中引入适当的第三组元线缺陷,让缺陷带频率落在二组元体系的带隙中,就可以形成特殊的波导态。声子晶体的这一特性对于声波/弹性波的传播和新的声学应用具有重要意义。     

Band gaps of elastic waves in 1-D phononic crystals with imperfect interfaces

Band gaps of elastic waves in 1-D phononic crystals with imperfect interfaces were studied.By using the transfer matrix method(TMM) and the Bloch wave theory in the periodic structure,the dispersion equation was derived for the periodically laminated binary system with imperfect interfaces(the traction vector jumps or the displacement vector jumps).The dispersion equation was solved numerically and wave band gaps were obtained in the Brillouin zone.Band gaps in the case of imperfect interfaces were compared...     

Acoustic band gaps in two-dimensional square arrays of semi-hollow circular cylinders

Concave surfaces focus sound while convex surfaces disperse sound. It is therefore interesting to know if it is possible to make use of these two opposite characteristics to enhance the band gap performance of periodic arrays of solid cylinders in air. In this paper, the band gap characteristics of a 2-D square array of semi-hollow circular cylinders embedded in air are investigated, both experimentally and theoretically. In comparison with the types of inclusion studied by previous researchers, a semi-hollow circular cylinder is unique in the sense that it has concave inner surfaces and convex outer surfaces. The finite difference time domain (FDTD) method is employed to study the propagation behavior of sound across the new phononic crystal of finite extent, and the influences of sample size and inclusion orientation on band gap characteristics are quantified in order to obtain the maximum band gap. For reference, the band gap behaviors of solid circular cylinder/air and hollow circular cylinder/air systems are considered and compared with those of semi-hollow circular cylinder/air systems. In addition to semi-hollow circular cylinders, other inclusion topologies such as semi-hollow triangular and square cylinders are also investigated. To validate the theoretical predictions, experimental measurements on square arrays of hollow Al cylinders in air and semi-hollow Al cylinders in air are carried out. The results demonstrate that the semi-hollow circular cylinder/air system has the best overall band gap performance.