發(fā)布時間：2021-07-27 22:12

　　聲子晶體是由兩種或兩種以上介質(zhì)周期排布形成的人工性復(fù)合材料,具有的禁帶特性使其在減振降噪、聲學(xué)隱身、聲學(xué)探測、航空航天等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。以磁致伸縮材料為典型代表的智能材料能夠敏銳感知外界彈性場、溫度場和磁場的變化并迅速做出響應(yīng),使得研究磁致伸縮型聲子晶體的彈性波主動控制顯得非常必要。另一方面,得益于點缺陷聲子晶體因其缺陷態(tài)而引發(fā)的波局域化特性使得聲波和彈性波能夠聚集在缺陷處周圍,通過在缺陷處放置壓電材料能夠用于高效的振動能量采集。為了擴大聲子晶體禁帶范圍以及提高振動能量收集效率,本文將聲子晶體點缺陷特性,磁致伸縮材料的多場耦合特性以及壓電材料的壓電效應(yīng)相結(jié)合,利用有限元方法系統(tǒng)地研究了兩類含點缺陷二維磁彈聲子晶體結(jié)構(gòu)在外部磁場和預(yù)應(yīng)力作用下的帶隙演化以及振動能量收集特性。具體的研究內(nèi)容如下:（1）將磁致伸縮材料引入到含點缺陷的聲子晶體中形成含點缺陷二維無限大磁彈聲子晶體結(jié)構(gòu),通過在點缺陷處放置壓電片進行彈性波振動能量收集。利用磁致伸縮材料的非線性力-磁耦合本構(gòu)關(guān)系,研究了在磁場和預(yù)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)的帶隙特性;基于壓電材料的壓電效應(yīng)并采用其線性本構(gòu)方程,研究了外部磁場和預(yù)應(yīng)力對... 

【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

具有代表性的(a)一維(b)二維(c)三維聲子晶體結(jié)構(gòu)[12]

?0世紀(jì)50~60年代已經(jīng)開展了相關(guān)研究[15]，但是起初并沒有得到廣泛關(guān)注。直到1992年，Sigalas和Economou等首次將球形散射體嵌入到軟基體材料中形成三維點陣型聲子晶體結(jié)構(gòu)，第一次從理論角度證明了彈性波禁帶的存在[16]。1993年，Kushwaha等利用平面波展開法研究了由普通金屬構(gòu)成的二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了彈性波在禁帶頻率內(nèi)其幅值和能量快速衰減，而在通帶范圍內(nèi)可以無損耗的傳播，在此基礎(chǔ)上首次提出聲子晶體概念并詳細(xì)描述了聲子晶體在振動和噪聲控制相關(guān)領(lǐng)域具有的潛在應(yīng)用前景[17]。隨后，Martinez-Sala等對如圖1-2所示的兼具美學(xué)和藝術(shù)氣息的固/氣型聲子晶體結(jié)構(gòu)進行相關(guān)聲學(xué)測試，第一次從實驗的角度證明了聲子晶體彈性波禁帶的存在性，由此得出的結(jié)果發(fā)表在Nature雜志上[18]。由此，關(guān)于聲子晶體的研究翻開了嶄新的一頁。圖1-2二維聲子晶體結(jié)構(gòu)“流動的旋律”雕塑1.2.2聲子晶體的帶隙形成機理彈性波帶隙是聲子晶體最基本的特征。禁帶能夠很容易的在色散曲線中觀察到是因為波矢找不到任何與之對應(yīng)的頻率，即就是在色散曲線（波矢-頻率曲線）中出現(xiàn)空白頻率區(qū)域就是禁帶范圍。當(dāng)任意全方位的波矢覆蓋整個布里淵區(qū)都找不到對應(yīng)的頻率時，所對應(yīng)的帶隙為完全禁帶，其禁帶使得所有方向入射的彈性波都無法從聲子晶體中通過[19]；當(dāng)彈性波在某些方向波矢下找不到相應(yīng)頻率時，對應(yīng)的帶隙為方向帶隙，其禁帶使得在波矢方向上無對應(yīng)的頻率，使得給定方向的彈性波無法在聲子晶體中傳播[20]。同時，波矢有與之對應(yīng)的頻率會在能帶曲線中表征相應(yīng)的頻率線，但是值得注意的是雖然頻率線代表聲子晶體通帶，允許彈性波在聲子晶體中傳播，但還是會存在一定的能量耗散。關(guān)于聲子晶體帶隙形成機理普遍采用帶隙頻率對應(yīng)的波長與聲子晶體晶格常?

和縱波相互之間的演化使得波形變化非常復(fù)雜。因此，較多的研究更關(guān)注對于固/固型聲子晶體的研究。另外，布拉格散射對應(yīng)的禁帶對結(jié)構(gòu)周期性不大敏感，甚至在某些結(jié)構(gòu)中存在失諧情況也有可能產(chǎn)生禁帶[27]。布拉格散射型聲子晶體的明顯特征在于禁帶頻率所處的頻率較高，而且彈性波衰減幅值較大速度較快。目前，對于布拉格散射型聲子晶體的研究中，其帶隙結(jié)構(gòu)以及禁帶的寬度主要依賴于組分材料的狀態(tài)（固態(tài)，液態(tài)）、散射體和基體材料的物理參數(shù)差異、周期性排列形式、組分材料的幾何形狀和填充料、晶格常數(shù)等特性[28-31]。圖1-3典型的二維布拉格散射型聲子晶體能帶圖[17]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]二維聲子晶體微腔能帶結(jié)構(gòu)的有限元分析與設(shè)計[J]. 李建寶,汪越勝,張傳增.  人工晶體學(xué)報. 2010(03)
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[3]單元結(jié)構(gòu)尺寸對不銹鋼/空氣二維聲子晶體聲波禁帶的影響[J]. 趙宏剛,劉耀宗,溫激鴻,韓小云.  功能材料. 2004(06)
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博士論文
[1]聲子晶體諧振器及其聲能采集器研究[D]. 楊愛超.重慶大學(xué) 2015
[2]磁電彈性聲帶隙材料結(jié)構(gòu)中的彈性波傳播與局部化研究[D]. 王毅澤.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2009
[3]聲子晶體局域共振帶隙機理及減振特性研究[D]. 王剛.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2005

碩士論文
[1]基于PVDF能量收集器的仿真及制備[D]. 趙冠興.清華大學(xué) 2015
[2]二維三元局域共振型聲子晶體禁帶影響因素分析及解釋[D]. 吳英家.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2009
[3]局域共振聲子晶體的振動模型與隔振效果研究[D]. 計淘.上海交通大學(xué) 2008
[4]帶隙原位可調(diào)型固/固二維聲子晶體研究[D]. 錢斯文.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2004



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