一维声子晶体中声波传播的理论分析

声子晶体是近10年来提出的一类具有周期性结构的人工声学材料。应用广义传输矩阵法(GT-MM),建立了声波传播特性的理论分析模型,得到了其声波场的平面波解,给出了数值实现方案。研究表明,该方法可精确地模拟弹性波通过一维有限厚的周期结构、准周期结构以及完全无序结构的传播特性。     

一维铝 环氧树脂声子晶体的介观压声效应

用传递矩阵法研究了由铝和环氧树脂两种材料构成了二组元一维声子晶体在应力作用下的透射谱特性。通过分析透射谱线的变化发现,在压变量的影响下,声波带隙能可控的出现和消失及平移,特别是会随着压变量的变化而出现带隙的反转,由通带变为禁带。为与体材料中的声弹性效应区别,参照介观压阻和介观压光效应的提法,称这种效应为介观压声效应。研究了在压变量存在下该结构透射谱线与声子晶体周期数的关系。结果表明,单轴应力对声子晶体带隙有明显的影响。这些特性可为新型声学器件的设计提供理论参考。     

压电分流声子晶体杆带隙调控研究

压电型声子晶体具有弹性波带隙特性,可用于噪声与振动控制。该文通过在环氧树脂杆上周期地布置含有负电容的压电分流单元,构造了压电声子晶体杆结构。为拓宽带隙,对此结构设计了3种元胞配置,运用传递矩阵法计算其带隙特性,并采用遗传算法对分流电路参数进行优化。理论与仿真结果表明,改变元胞中不同谐振频率的压电分流单元的个数,可以获得多个局域共振带隙,增强带隙可调谐性;运用算法优化可得到带隙调谐时分流电路参数值的最佳匹配,实现多个带隙的合并进而形成宽带,在不改变原有结构的基础上拓宽带隙。     

一维声子晶体在防止低频噪声中的应用

应用集中质量法研究了集中质量数n、晶格常数a、组分比t、弹性模量E及密度ρ等因素对一维声子晶体带隙的影响.结果表明,带隙起始频率及带宽随a增加而减小,随t增加而快速增大(当t>1);带隙起始频率随两种材料E差值与ρ差值增加而减小,而带隙截止频率却不变;带隙精度则随n增加而增大.据此设计出一种能屏蔽约59～557 Hz范围内低频噪声的复合结构声子晶体.     

一维声子晶体杆状结构纵向振动带隙特性

基于传递矩阵法,以一维声子晶体杆状结构纵向振动带隙特性为研究对象,应用MATLAB编程,数值模拟了A为金、铜、铝和碳,B为环氧树脂时纵向振动带隙特性,得到铜与与环氧树脂构成一维声子晶体时,形成最大振动带隙宽度3．39KHz ,其中金能够形成较多的带隙区间。数值模拟了A为铜,B为硅橡胶、有机玻璃1、有机玻璃2和塑料时,得到A为铜,B为塑料时形成最大带隙在0．51KHz -7．06KHz ,带隙宽度为6．55KHz ,这两种组合形成了最大带隙宽度。A为铜,B为有机玻璃1时形成较多的带隙结构。研究结论为一维声子晶体器件制作提供参考。     

二维声子晶体能带特性研究

介绍声子晶体的概念及其种类,基于平面波展开法,设计了以环氧树脂为基底,铝为散射体材料的二维XY模式声子晶体,模拟得到了能带范围为5．838KHz至8．981KHz,比较了铝、铝2和铝3的能带结构,得到随着铝密度和杨氏模量的增加,剪切模量的减少,能带宽度增加。同时还比较了随着散射体半径的增加,计算得到能带宽度也增加了。结论为二维XY模式声子晶体器件的制作提供理论参考。     

二维固-气声子晶体带隙特性的研究

本文基于时域有限差分法数值模拟了二维固-气正方声子晶体结构带隙特性,计算了填充率和晶格常数对带隙特性的影响,研究得到填充率在f=0.8时形成最宽带隙,这对声子晶体结构的设计提供了理论基础。     

矩形晶格结构对二维压电声子晶体带隙的影响

通过计算二维压电声子晶体透射系数,研究了矩形晶格结构对声子晶体带隙的影响。为得到声子晶体的透射系数,构建叉指换能器(IDT)中间放置声子晶体的器件模型,IDT作为激发和接收端,声子晶体作为传输通道。通过有限元软件计算出模型的电学参数,分别结合IDT的混合矩阵(P矩阵)和声子晶体的散射矩阵,推导和计算出声表面波的透射系数,并找出带隙范围。该文在128°-YX铌酸锂基片上制作IDT和矩形晶格以圆孔为散射体的声子晶体。通过调整矩形晶格中y方向上晶格常数,理论和实验上均得到了2个方向上的带隙变化。结果表明,随着y方向上晶格常数的增大,x方向上的带隙逐渐分为两段,y方向上的带隙逐渐缩小,使y方向上的带隙夹在x方向两段带隙间。实验结果与计算结果较吻合。     

介质吸收对一维声子晶体禁带的影响

为了研究介质吸收对一维声子晶体禁带的影响,引入复波数,推导出一维声子晶体的转移矩阵,计算了一维声子晶体的透射系数和反射系数随衰减系数的变化特征.结果表明,介质的衰减系数对一维声子晶体透射波中的禁带和反射波中的禁带均有显著影响.在透射波中,当衰减系数增加到0.04k(k为波数)时,透射波中的禁带已消失.在反射波中,当衰减系数增加为0.2k时,反射波中的禁带已消失.     

十字型结构声子晶体带隙及等效模型研究

该文设计了一种新型十字型声子晶体结构,并采用有限元法对其进行了研究;分析了此结构若干共振频率下的振动模态,分别建立了带隙起始频率与截止频率处振动模态的简化模型,探究了结构与材料参数对带隙的影响,验证了简化模型的合理性;最后计算了结构的反射系数与透射系数。结果表明,该结构带隙产生机理属局域共振型,能够在中低频段内产生一个完全带隙。通过对金属芯体密度、基体密度、包覆层的宽度及弹性模量等因素的调节,可以实现对带隙上、下界频率的调节,结构的反射系数与透射系数随入射波频率的变化也与带隙图相应证,当带隙图显示出现带隙时,结构的透射系数也随之下降。     

一维光子晶体禁带反射率随结构的变化

用特征矩阵方法得出了一维光子晶体的反射率计算公式,以/4波片堆为例,计算了当两种介质采用不同折射率的物质时,在第一光子禁带TE波及TM波的反射率随入射角的变化。结果显示,TE波与TM波的情况不完全相同。总的来说,增大两种介质折射率的差别,或者同时提高两种介质的折射率,或者增加周期数都有利于制造出具有完全光子禁带的一维光子晶体。     

激光在圆柱表面激发柱面瑞利波的有限元模拟

为了研究柱面上激光激发的瑞利(Rayleigh)波的色散特性,建立了激光在各向同性圆柱表面激发瑞利波的有限元模型。该模型以热弹激发机制为基础,同时考虑了材料热物理参数的温度依赖性。在验证了模型正确性的基础上,计算了激光在不同直径铝圆柱表面激发的瑞利波波形,结合相谱分析法得到了柱面瑞利波的色散曲线。同时分析了圆柱直径对柱面瑞利波色散特性的影响。结果表明:随着频率的增加,柱面瑞利波的相速度先迅速增加到最大值CRmax后逐渐减小并趋于平面瑞利波的波速CPR。此外,随圆柱直径的增加,柱面瑞利波的色散减弱;直到圆柱直径趋于无限大(即平面)时,色散现象消失。     

一维非线性光子晶体中电磁波传播的理论分析

考虑具有金属包层结构的一维非线性光子晶体,应用Maxwell经典电磁理论,建立了电磁波传播特性的理论分析模型,得到了其电磁场的全波解。根据电磁场在包层边界应满足的基本关系,建立了描述其带隙结构的特征方程,给出了特征方程迭代求解的算法描述,为电磁波传播特性数值仿真分析提供了理论基础。     

微结构光纤的有限元分析计算法

利用有限元法对零色散点在780nm的均匀微结构光纤进行经过简化的矢量波动方程模拟计算，获得了所需要的模场分布、有效折射率、色散、有效模面积等参数，并与实验数据相参照验证了这种方法的准确性和精度。进而将这种计算方法用于非均匀微结构光纤的模拟计算，不仅获得了很好的结果，与其他方法相比还具有更快的计算速度，计算所得到的结果对将来设计和拉制微结构光纤很有帮助，并且这种方法在设计不规则的微结构光纤方面具有很好的优势。     

有限元法求解液晶层中的指向矢分布

建立了基于有限元法的液晶层中指向矢分布的计算方法,可以方便地考虑非对称取向和表面锚定能及其形式对指向矢分布的影响,作为应用实例,给出了非对称弱锚定情形下的液晶层下指向矢分布的计算结果。     

用一维多元光子晶体实现光学梳状滤波的数值研究

把传输矩阵方法推广应用于研究一维多元光子晶体实现光学梳状滤波.数值结果指出,要实现光学梳状滤波,首先要找到合适的组元个数,并通过调节组元位置和厚度找到所需要的禁带中心位置与宽度;其次根据梳状滤波的梳齿数目、位置和透过率等具体要求,通过调节缺陷组数、缺陷组相对位置、缺陷组各组元厚度而达到梳状滤波设计的目的.     

掺杂一维光子晶体的杂质态

阐述了无缺陷光子晶体与掺杂光子晶体的结构,用光学特征矩阵方法,通过数值模拟计算具体讨论了一维光子晶体的一个实例。计算结果表明,掺杂光子晶体的禁带出现了极窄的、高透射率的尖峰,即光子杂质态,类似于半导体材料中的杂质能级。杂质层的引入增宽了原来光子禁带的宽度,杂质态的特征与杂质层的光学厚度、折射率及在晶体中的位置等因素有关。     

一维光子晶体缺陷模局域场强的分布特征

用特征矩阵法研究不同结构缺陷光子晶体内部局域态场强的大小和分布特征.一维光子晶体缺陷模局域场一般以驻波的形式存在于缺陷内, 局域平均场强的大小与光子晶体构形、缺陷的结构参数、周期数密切相关.在同样条件下, 当缺陷模频率使光子晶体满足布拉格反射条件时, 缺陷模局域场的强度达到最大值.结构参数相同时, 缺陷模局域平均场强随周期数按e指数增加.研究结果对优化光子晶体的设计具有一定的参考作用.