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。     

振动声学法在瓷支柱绝缘子检测中的运用

振动声学理论在设备仪器探伤检测中的应用非常广泛,主要通过振动声波在检测材料中传播的波形图变化来探明材料内部的特性和结构。本文主要介绍了基于振动声学理论的探伤方法在瓷支柱绝缘子检测中的应用,详细介绍了该方法的原理、检查过程和效果,并对其后续研究方向进行简要阐述。     

尾流中气泡的主动声特性模型及有限元分析

尾流中气泡的主动声学特性是主动声探测和声波在尾流中传播的理论基础。分析入射声波在空气与水的分界面的反射/折射特性和气泡在受迫振动条件下的散射,建立尾流中气泡的主动声学特性的弹性薄球壳模型。对气泡模型运用有限元分析得到气泡的谐振频率,与理论值比较验证了模型的正确性。     

含气泡液体内的声学参数研究

基于声压与质点振动速度的边界条件,在考虑粘滞阻力、表面张力的情况下,研究了含有气泡液体内声波的传播。利用球贝塞尔及汉克尔函数,对声传播的相关参数进行了理论研究,并对声波的传播速度及衰减系数进行数值求解。结果表明,声速随气泡体积分数的增大而减小,衰减系数却增大,气泡半径对其影响较小;当声波的频率较低时,气泡的存在对声波传播的速度影响较大;而频率较高时,能量更易损失。     

非对称掺杂的一维声子晶体的缺陷模特性

利用转移矩阵法,计算了弹性波在该非对称掺杂声子晶体中的传播特性.结果表明,缺陷模出现在中心频率一半的两侧附近;缺陷模的峰值随着介质吸收系数的增加而显著下降,同时带宽加宽;杂质厚度增加时缺陷模透射峰值变化很小,但带宽变窄.另外,掺杂介质两侧的周期对称性越差,缺陷模的变化越显著.     

一维4H-碳化硅光栅红外光学特性及红外尺应用

从理论和实验上对极化材料4H-SiC一维光栅的光学特性进行了研究。发现该结构中存在四种光学模式:传播表面声子极化激元、偶极子天线、局域表面声子极化激元和准静态表面声子极化激元。进一步利用传播表面声子极化激元对于光栅结构参数的敏感性和原子层沉积技术生长介质材料,观察到了沉积材料厚度变化和传播表面声子极化激元的峰位偏移量呈现线性关系。该研究有助于新型微纳器件如纳米尺、传感器等的开发。     

不同黏性液体激光击穿声辐射特性研究

激光与液体介质相互作用时,在不同液体参数情况下,光击穿辐射声信号具有较大的差异性.为研究液体黏性、饱和蒸汽压等特性对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,推导了激光空泡壁的运动方程,构建了激光击穿声辐射测量系统,实验研究了不同液体参数对光击穿辐射声信号的影响.结论:液体饱和蒸汽压越高.激光空泡膨胀辐射的声波强度越低;液体黏性系数越大,将减缓空泡溃灭的速率,导致空泡牛存周期增长,并使空泡溃灭辐射的声波强度降低.     

一种改进的水下光击穿声辐射计算方法

为了从理论上对光击穿辐射声波进行定量描述,在点源模型的基础上提出了一种改进的水下光击穿声辐射计算方法,利用波动方程和水下爆炸理论求解单点击穿的辐射声波,并推导了多点击穿的辐射声波。从理论上对多点击穿的声压波形、声源级、传播特性和指向性进行了定量计算,并通过实验数据对比进行了验证。结果表明,计算与实验结果是一致的,证明了该方法的正确性和有效性;当激光能量从0.1J增大至0.8J时,声源级从182.4dB增至188.2dB;当激光能量高于0.3J时,声源级变化很小;在垂直等离子柱体的方向上声波辐射最强,在等离子柱体方向辐射最弱,所有方向上声波强度均与距离的平方成反比。     

激光引发水下声波

激光引发水下声波作为一种新的激发声波的方法,具有很大的潜在应用价值。对光声转换机制、水下声脉冲特性以及声脉冲强度与激发条件的关系等,进行了较为全面的介绍,并给出了一些实验结果。     

声表面波陀螺仪研究进展

高精度的惯性导航系统是水下航行器顺利完成水下作业的关键之一,陀螺仪作为一种重要的惯性敏感元件,是构成惯性导航系统的基础核心器件。基于声表面波陀螺效应的新型陀螺仪具有优良的抗振能力、良好的可靠性与稳定性等特点而引起人们的浓厚兴趣,在大冲击等恶劣环境具有良好的应用前景。本文对声表面波陀螺仪的研究进展进行回顾,特别介绍了一种设置金属点阵的陀螺效应增强模式SAW陀螺仪。该结构由在同一压电晶体上反向设置的两个SAW传感器件构成,在其叉指换能器中间分布有金属点阵。结合层状介质中声波传输特性的研究方法对压电晶体及金属点阵参数对传感器响应特性的影响进行建模分析,设计并实验研制了工作频率为30MHz、80MHz及95MHz的SAW陀螺仪。实验结果表明,该结构陀螺仪实现了良好的温度补偿特性,并通过在SAW传播路径上合理设置的金属点阵,大幅提升了传感器的检测灵敏度。      

On-Chip Tightly Confined Guiding and Splitting of Surface Acoustic Waves Using Line Defects in Phononic Crystals

Phononic crystals (PnCs) exhibit acoustic properties that are not usually found in natural materials, which leads to the possibility of new devices for the complex manipulation of acoustic waves. In this article, a micron-scale phononic waveguide constructed by line defects in PnCs to achieve on-chip, tightly confined guiding, bending, and splitting of surface acoustic waves (SAWs) is reported. The PnC is made of a square lattice of periodic nickel pillars on a piezoelectric substrate. The PnC lattice constant, pillar diameter, and pillar height are set to 10, 7.5, and 3.2 µm, respectively, leading to a complete bandgap centered at 195 MHz. Interdigitated transducers are monolithically integrated on the same substrate for SAW excitation. The guiding, bending, and splitting of SAWs in the phononic waveguide are experimentally observed through measurement of the out-of-plane displacement fields using a scanning optical interferometer. The combination of destructive interference due to the Bragg bandgap and the interaction of the propagating wave with the pillars around the channel results in a tight confinement of the displacement field. The proposed phononic waveguides demonstrate the feasibility of precise local manipulation of SAW that is essential for emerging frontier applications, notably for phonon-based classical and quantum information processing.     

声子晶体对ZnO/41°YX LiNbO3结构Love波器件性能的影响

利用三维有限元法(3D FEM)分析了Ni柱型声子晶体对(110)ZnO/41°YX LiNbO3结构Love波器件声学特性(包括相速度、机电耦合系数和质量灵敏度等)的影响。结果表明，Ni柱的引入对所激发Love波性能的影响较大，Love波1阶模式阈值提前(激发1阶模式Love波所需的导波层厚度减小到0.05)，机电耦合系数提高了约8%。同时，Ni 柱/(110)ZnO/41°YX LiNbO3结构Love波器件的质量灵敏度也得到改善，其Love波0阶和1阶模式的质量灵敏度较无Ni柱结构Love波器件分别提高了3倍和4倍。该研究结果为利用声子晶体结构实现高频声表面波器件的研制及其应用领域的拓宽提供了理论依据。     

利用有限元法研究散射体对一维声子晶体板中声信号传播的调控作用

声子晶体是一种新型的人工复合周期性材料,其几何参数和材料参数对声信号能带结构有着很大的影响。文章运用有限元的方法计算分析基体为硅时,散射体材料分别为钨和金时的能带结构,结果表明,材料参数对声信号带隙位置有显著影响,散射体为金的带隙比散射体为钨的带隙窄,通过比较具有圆柱形和正四棱柱形散射体样品板中声波的能带结构,发现散射体的形状对低频范围内声信号的禁带分布也有很大影响。     

有限周期声子晶体中SH波能带的波叠加理论

利用波的叠加原理推导出一维有限周期声子晶体中偏振方向垂直于入射面的横波(SH)的透射率公式,即建立了一种研究一维有限周期声子晶体中SH波能带的新方法——波叠加法。将波叠加法和转移矩阵法进行了比较研究,结果表明,波叠加法与转移矩阵法的结果一致。波叠加法既具有转移矩阵法能对能带进行数值计算的优点,又克服了转移矩阵法不能解释能带的产生原因的缺点。因此,波叠加法是研究一维有限周期声子晶体中SH波能带的一种更有效的方法。     

镜像单元周期性固液声子晶体中谐振的研究

利用散射矩阵,通过数值计算,研究了声纵波在镜像单元一维固-液周期声子晶体中的谐振特性。由Bloch定理的色散关系得到了其带隙结构。声纵波正入射时,在透射谱的奇数倍频附近出现6条窄带谐振透射峰,而偶数倍频附近有5条弱谐振透射峰。当声纵波斜入射时,谐振透射峰均向高频方向移动,且透射带宽减小。另外,在全反射条件下声纵波入射时,透射谱中谐振透射表明,此时产生了谐振隧穿效应。当入射角为25°时,透射谱中仅有一条谐振隧穿峰。     

声子晶体中SH波的全反射隧穿滤波特性

利用边界条件推导出SH波在多层介质系统中的转移矩阵,得出了SH波在一维固-固结构声子晶体中的透射率公式.利用透射率公式研究了SH波在一维固-固结构声子晶体中的全反射隧穿滤波的特征.实验得出,SH波以大于全反射角入射一维固-固结构声子晶体时,在出射空间会出现全反射隧穿现象,利用SH波的全反射隧穿现象可实现多通道滤波.     

基于小波脊的水表面声波激光干涉探测

为准确获取水表面声波的频率,对水表面声波激 光干涉信号的时频分布特点进行了理 论分析和实验研究,发现小波脊点沿着水表面声波频率所对应的尺度 时间曲线分布,或位于该线上,或对称分布于上下两侧。根据此特征,提出了一种基于小波 脊的水表面声波频率解调方法,实验结果表明,本文方法能够对稳频的水表面声波频率进行 精确 测量,绝对误差不大于1Hz。对线性调频的水表面声波进行了探测实验,结果表明,小波脊 能 够实时地跟踪水表面声波频率的变化,通过小波脊计算得到的频率变化率与设定值相吻合, 证明了利用小波脊方法提取水表面声波瞬时频率的准确性。     

一维固-液掺杂声子晶体缺陷模的干涉理论

建立了一维掺杂声子晶体的多波束干涉模型,利用波的干涉理论推导出一维掺杂声子晶体缺陷模的透射率公式和频率公式,成功地解释了一维掺杂声子晶体中缺陷模产生的物理机理。利用干涉理论和转移矩阵法对一维掺杂声子晶体缺陷模的特征进行了比较研究,两者的结论一致。     

声表面波小波处理器的计算机模拟与仿真

由于缺乏基本的计算机模拟与仿真手段,我们无法在试制样品前预估所设计的声表面波小波处理器的性能参数。因而,一旦设计参数出现偏差,所试制的样品的性能指标也就不可能满足设计要求,这不但延长研发周期,而且浪费大量不必要的研发经费。为此,该文介绍了一种对声表面波小波处理器进行计算机模拟与仿真的模型,并将其用于声表面波小波处理器的设计研制中,以期在样品试制前对其进行计算机模拟与仿真,直至模拟与仿真结果满足设计要求后再进行样品试制与测试,以尽可能地缩短研究周期,节约研究经费。理论与研究结果表明,采用该文介绍的计算机模拟与仿真模型对声表面波小波处理器进行计算机模拟与仿真,其模拟仿真结果与实测结果相比,其误差小于1%,基本能满足设计研发工作的需要。     

Dissipative Dynamics of Polymer Phononic Materials

Phononic materials are artificial composites with unprecedented abilities to control acoustic waves in solids. Their performance is mainly governed by their architecture, determining frequency ranges in which wave propagation is inhibited. However, the dynamics of phononic materials also depends on the mechanical and material properties of their constituents. In the case of viscoelastic constituents, such as most polymers, it is challenging to correctly predict the actual dynamic behavior of real phononic structures. Existing studies on this topic either lack experimental evidence or are limited to specific materials and architectures in restricted frequency ranges. A general framework is developed and employed to characterize the dynamics of polymer phononic materials with different architectures made of both thermoset and thermoplastic polymers, presenting qualitatively different viscoelastic behaviors. Through a comparison of experimental results with numerical predictions, the reliability of commonly used elastic and viscoelastic material models is evaluated in broad frequency ranges. Correlations between viscous effects and the two main band-gap formation mechanisms in phononic materials are revealed, and experimentally verified guidelines on how to correctly predict their dissipative response are proposed in a computationally efficient way. Overall, this work provides comprehensive guidelines for the extension of phononics modeling to applications involving dissipative viscoelastic materials.