本文選題：聲子晶體　切入點(diǎn)：禁帶　出處：《西安交通大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：聲子晶體是一種新型功能材料或結(jié)構(gòu),具有獨(dú)特的彈性波禁帶特性和局域化、負(fù)折射等物理內(nèi)涵,在工程領(lǐng)域減振降噪、新型聲學(xué)功能器件設(shè)計(jì)等方面表現(xiàn)出重大的潛在應(yīng)用價(jià)值,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。本文在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和教育部博士點(diǎn)基金的資助下,致力于聲子晶體研究方法的拓展,禁帶產(chǎn)生新機(jī)理的探索,及新型聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面的研究工作,相關(guān)研究成果對(duì)于豐富和完善聲子晶體物理內(nèi)涵、指導(dǎo)具有實(shí)用價(jià)值的聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定參考意義。首先,為了對(duì)不同聲子晶體結(jié)構(gòu)的禁帶產(chǎn)生機(jī)理及過(guò)程作更深入分析,基于彈性波能量分布的角度提出了聲子晶體的可視化研究思想。從波動(dòng)方程入手推導(dǎo)了該方法各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的有限元理論基礎(chǔ),采用典型聲子晶體算例驗(yàn)證了可視化方法在計(jì)算布拉格散射聲子晶體和局域共振型聲子晶體方面的正確可靠性,并對(duì)計(jì)算進(jìn)行收斂性分析。其次,采用上述可視化方法深入研究了具有縫隙特征結(jié)構(gòu)的聲子晶體低頻寬禁帶的產(chǎn)生機(jī)理,通過(guò)對(duì)聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算、傳輸特性分析等,研究了縫隙特征對(duì)禁帶的影響規(guī)律,并通過(guò)對(duì)微觀原胞模態(tài)視圖、宏觀有限結(jié)構(gòu)時(shí)頻域視圖分析,進(jìn)一步研究了聲波與聲子晶體的作用機(jī)制和作用過(guò)程,及聲子晶體中聲波能量的流向分布等問(wèn)題,從而提出聲子晶體禁帶產(chǎn)生的模態(tài)抑制機(jī)理及用于布拉格禁帶預(yù)測(cè)分析的管道理論模型。第三,將“縫隙特征”作為獨(dú)立的概念引入氣體基聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,探索“縫隙特征”散射體在氣體基聲子晶體禁帶調(diào)制及降噪特性方面的應(yīng)用價(jià)值。設(shè)計(jì)內(nèi)板筋聲子晶體,通過(guò)在內(nèi)腔中引入板間通道及板上縫隙改變?cè)舱裉匦?從而進(jìn)一步降低禁帶頻率;設(shè)計(jì)交叉板聲子晶體,通過(guò)在相鄰散射體之間構(gòu)建“縫隙”和“內(nèi)腔”特征,研究該新型聲子晶體禁帶特性,并提出禁帶“實(shí)時(shí)可調(diào)制”聲子晶體的概念;將傳統(tǒng)吸聲材料引入聲子晶體,通過(guò)在縫隙特征聲子晶體內(nèi)腔填充吸聲材料,構(gòu)建材料耦合型聲子晶體,并采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法,研究了耦合結(jié)構(gòu)的禁帶及降噪性能。第四,進(jìn)一步在固體基聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入“縫隙特征”概念,探索“縫隙特征”散射體在固體基聲子晶體禁帶調(diào)制及減振特性方面的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)在固體布拉格聲子晶體的散射體和基體之間開設(shè)弧形縫隙,設(shè)計(jì)含有“Neck”特征的聲子晶體結(jié)構(gòu),采用可視化方法研究了該結(jié)構(gòu)的禁帶特性及Neck參數(shù)對(duì)禁帶的影響;并將Neck結(jié)構(gòu)引入一維、二維有限厚度聲子晶體板中,研究了Neck結(jié)構(gòu)對(duì)板波禁帶特性的影響和調(diào)制規(guī)律。研究結(jié)果表明,縫隙結(jié)構(gòu)的引入在降低系統(tǒng)剛度的同時(shí)引入了局域共振單元,從而使聲子晶體在一定程度上兼顧了布拉格禁帶和局域共振禁帶的優(yōu)勢(shì),在較低頻段產(chǎn)生超寬禁帶。最后,將“縫隙特征”以新型缺陷源的概念引入缺陷態(tài)聲子晶體的結(jié)構(gòu)研究,探索縫隙特征缺陷聲子晶體在實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)可調(diào)制式”聲學(xué)功能器件方面的原理可行性。通過(guò)改變特定散射體縫隙參數(shù)構(gòu)成相應(yīng)點(diǎn)缺陷或線缺陷,研究了該缺陷聲子晶體的局域態(tài)特性、波導(dǎo)特性及可變縫隙參數(shù)對(duì)缺陷態(tài)頻率的調(diào)制性能,并設(shè)計(jì)制備了相應(yīng)缺陷聲子晶體對(duì)缺陷波導(dǎo)的存在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明,由“縫隙特征”構(gòu)建的缺陷聲子晶體可以在低頻共振禁帶產(chǎn)生相應(yīng)的點(diǎn)(線)缺陷模態(tài),縫隙參數(shù)的改變可以實(shí)現(xiàn)缺陷頻率在禁帶內(nèi)幾乎任意位置的實(shí)時(shí)調(diào)制。本文的研究工作不僅豐富了聲子晶體的理論內(nèi)涵,為聲子晶體的更深入研究奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也為聲子晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用探索提供新的思路和方向,具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:This paper studies the mechanism of acoustic sub - crystal band gap and its application in the field of acoustic sub - crystal structure design . This paper studies the influence and modulation law of the structure on slab wave forbidden band . The results show that the introduction of gap structure introduces the local resonance unit while reducing the stiffness of the system .

【學(xué)位授予單位】：西安交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O735

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本文編號(hào)：1720355