發(fā)布時(shí)間：2017-07-13 21:11

  本文關(guān)鍵詞：超聲頻段聲子晶體濾波特性研究

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【摘要】：聲子晶體由于其帶隙機(jī)理以及對(duì)聲波的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以人為地進(jìn)行調(diào)控,近幾年在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文利用聲子晶體的禁帶特性、聚焦功能以及缺陷態(tài)結(jié)構(gòu),以超聲頻段為對(duì)象研究聲子晶體濾波特性。從聲子晶體的彈性波、晶格及能帶理論出發(fā),設(shè)計(jì)了由鉛、橡膠和環(huán)氧樹脂組成的三組元局域共振型二維剖面聲子晶體結(jié)構(gòu)。在四角晶格的基礎(chǔ)上,材料參數(shù)不變,通過改變散射體的陣列引入缺陷態(tài),設(shè)計(jì)了三角晶格結(jié)構(gòu)、六角晶格結(jié)構(gòu)及復(fù)式晶格結(jié)構(gòu),基于平面波展開法和有限元法分別仿真出四種不同晶格的能帶結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果得出,通帶頻率范圍內(nèi)有較好的匯聚效果,當(dāng)頻率無法與聲子晶體產(chǎn)生共振或在聲子晶體內(nèi)部傳輸過程中迅速衰減而進(jìn)入阻帶范圍,由此起到濾波的作用。其中,四角晶格結(jié)構(gòu)在10MHz內(nèi)根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)的不同可設(shè)計(jì)為帶阻濾波器或低通濾波器,三角晶格在1100kHz內(nèi)為帶通濾波器,六角晶格與復(fù)式晶格結(jié)構(gòu)在200kHz內(nèi)為多通道濾波器。改變聲子晶體的晶格結(jié)構(gòu)類型,其通禁帶范圍也隨之變化,較好地實(shí)現(xiàn)了濾波頻率的可調(diào)性。以二維剖面為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)三維三角晶格聲子晶體結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行有限元仿真,結(jié)果與二維剖面結(jié)構(gòu)基本一致。根據(jù)仿真中設(shè)定的材料參數(shù),結(jié)合3D打印技術(shù)打印出三角晶格的基體材料,并通過穿入鉛芯以及灌入橡膠完成聲子晶體結(jié)構(gòu)的制備。設(shè)計(jì)超聲檢測(cè)的發(fā)射與接收模塊,采用40kHz~1000kHz范圍里七個(gè)不同頻率的超聲探頭進(jìn)行測(cè)試,從輸出首波幅值的高低觀察各頻率點(diǎn)的通過性。有聲子晶體時(shí)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合,無聲子晶體時(shí)的輸出幅值不存在明顯的增強(qiáng)或衰減現(xiàn)象,驗(yàn)證了三角晶格聲子晶體結(jié)構(gòu)具備濾波特性。
【關(guān)鍵詞】：聲子晶體 濾波器 超聲頻率 有限元法
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN713
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 課題研究目的及意義9-10
• 1.2 聲子晶體10-14
• 1.2.1 聲子晶體的基本概念10-12
• 1.2.2 聲子晶體研究現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展12-14
• 1.3 濾波技術(shù)的發(fā)展14-15
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排15-17
• 2 聲子晶體濾波理論研究17-29
• 2.1 聲子晶體理論基礎(chǔ)17-21
• 2.1.1 彈性波理論17-18
• 2.1.2 晶格與能帶理論18-21
• 2.2 聲子晶體濾波特性計(jì)算方法21-25
• 2.2.1 濾波計(jì)算方法21-24
• 2.2.2 帶隙機(jī)理及特性24-25
• 2.3 平面波展開法計(jì)算聲子晶體濾波帶隙25-28
• 2.4 小結(jié)28-29
• 3 有限元法仿真聲子晶體濾波結(jié)構(gòu)29-51
• 3.1 有限元法基本思路及仿真過程29-31
• 3.2 四角晶格聲子晶體濾波結(jié)構(gòu)31-38
• 3.2.1 激勵(lì)源緊貼聲子晶體放置32
• 3.2.2 激勵(lì)源與聲子晶體有距離放置32-34
• 3.2.3 散射體陣列對(duì)濾波特性的影響34-38
• 3.3 三角晶格聲子晶體濾波結(jié)構(gòu)38-40
• 3.4 六角晶格聲子晶體濾波結(jié)構(gòu)40-45
• 3.5 點(diǎn)激勵(lì)作用于聲子晶體濾波結(jié)構(gòu)45-47
• 3.6 三維三角晶格聲子晶體濾波結(jié)構(gòu)47-49
• 3.7 小結(jié)49-51
• 4 聲子晶體濾波特性測(cè)試及結(jié)果分析51-64
• 4.1 三角晶格聲子晶體濾波結(jié)構(gòu)的制備51-52
• 4.2 濾波測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)52-59
• 4.2.1 超聲發(fā)射模塊53-55
• 4.2.2 超聲接收模塊55-59
• 4.3 濾波測(cè)試過程59-60
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析60-63
• 4.5 小結(jié)63-64
• 5 總結(jié)與展望64-66
• 5.1 總結(jié)64-65
• 5.2 展望65-66
• 參考文獻(xiàn)66-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間所取得的研究成果71-72
• 致謝72-73

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