本文關(guān)鍵詞：聲子晶體諧振器及其聲能采集器研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：聲子晶體在減振除噪、聲聚焦成像、隱身等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,特別是含點(diǎn)缺陷的聲子晶體(即聲子晶體諧振器)因?yàn)槠淙毕輵B(tài)而引起的聲波局域化效應(yīng)能夠有效地局限匯聚聲波、放大聲壓,所以聲子晶體諧振器可以應(yīng)用于聲能采集技術(shù)等。但是當(dāng)前已有的聲子晶體諧振器因其較小的聲壓增益、極低的諧振Q值導(dǎo)致較低的聲能采集效率,從而限制了其在聲能采集領(lǐng)域的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。聲能采集技術(shù)的開發(fā)可以為低功耗的電子器件供能從而解決其電池問題,同時(shí)還能給環(huán)境降噪。但現(xiàn)實(shí)環(huán)境中聲能密度低且聲波來源為多個(gè)方向,因此如何設(shè)計(jì)大聲壓增益、高諧振Q值的聲子晶體諧振器來實(shí)現(xiàn)高效、多方向的聲能采集成為相關(guān)研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。本論文在國家863計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助下從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面對聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究,并且探索了聲子晶體諧振器在聲能采集器方面的應(yīng)用。論文的具體工作和主要研究內(nèi)容如下:1)提出了一種雙層耦合聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu),它由兩個(gè)不同大小的采用圓柱體散射體的聲子晶體諧振器相嵌套而成,聲子晶體諧振器之間的聲波耦合作用增強(qiáng)了整個(gè)耦合結(jié)構(gòu)的聲波局域化效應(yīng)并提高了其諧振聲壓增益。對比分析了單層和雙層耦合聲子晶體諧振器的帶隙特性、聲波局域化效應(yīng)及聲壓增益譜,并建立聲壓增益測試系統(tǒng)對單層、雙層耦合聲子晶體諧振器的聲壓增益頻譜進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與單層聲子晶體諧振器相比,雙層耦合聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu)擁有更強(qiáng)的聲波局域化效應(yīng)和2.1~3.3倍的諧振聲壓增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。2)提出了一種多層耦合聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu),由不同散射體大小、數(shù)目的多個(gè)聲子晶體嵌套而成。各層聲子晶體的帶隙及缺陷帶之間的交叉耦合作用導(dǎo)致多層耦合聲子晶體諧振器其能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了對應(yīng)強(qiáng)聲波局限模態(tài)的超平坦通帶,因此多層耦合聲子晶體諧振器擁有更強(qiáng)的聲波局域化效應(yīng)和更大的諧振聲壓增益。分析了不同耦合層數(shù)對聲子晶體諧振器的帶隙特性、聲壓增益譜、諧振Q值的影響。分析結(jié)果表明,多層耦合聲子晶體諧振器的聲壓增益峰值與耦合層數(shù)成正比,聲壓增益峰值的增率與層數(shù)的平均變化率約為2.73倍/層。與相同大小的單層聲子晶體諧振器相比,五層耦合聲子晶體諧振器擁有33.9倍的聲壓增益峰值和36.7倍的諧振Q值。3)提出了一種采用十字板的高Q值、大聲壓增益的聲子晶體諧振器(Cr-PCR)。十字板獨(dú)有的凹角對聲波的強(qiáng)方向性散射導(dǎo)致了強(qiáng)烈的聲波局域化效應(yīng),從而產(chǎn)生了高諧振Q值、大聲壓增益的多聲波局限點(diǎn)。主要分析了十字板厚度對聲子晶體諧振器的能帶結(jié)構(gòu)、諧振頻率、聲壓增益及諧振Q值的影響。實(shí)驗(yàn)測量并對比了提出的Cr-PCR與傳統(tǒng)采用圓柱體散射體的聲子晶體諧振器(Cy-PCR)的聲壓增益譜和諧振Q值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:提出的Cr-PCR結(jié)構(gòu)在各聲波局限點(diǎn)呈現(xiàn)出2020~3535的諧振Q值和14.3~16.6的諧振聲壓增益;它們分別是傳統(tǒng)Cy-PCR結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)的202~353.5倍和5.3~6.1倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。4)提出了一種亞波長、大聲壓增益的多級局域共振聲子晶體諧振器結(jié)構(gòu),其散射體采用多個(gè)亞波長共振的赫姆霍茲諧振器的嵌套結(jié)構(gòu)。各個(gè)多級赫姆霍茲諧振器輻射出的被其增強(qiáng)放大的聲波,在聲子晶體諧振器腔體中心處發(fā)生同相疊加,從而在亞波長范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的聲波局域化效應(yīng)及大的聲壓增益。分析不同嵌套級數(shù)、不同取向的赫姆霍茲諧振器散射體對聲子晶體諧振器的能帶結(jié)構(gòu)、諧振頻率、聲壓增益的影響。分析結(jié)果表明提出的亞波長多級局域共振聲子晶體諧振器,在赫姆霍茲諧振器散射體同向非對稱分布和非同向?qū)ΨQ分布時(shí)的最大聲壓增益,分別是傳統(tǒng)采用剛性散射體聲子晶體諧振器的4.2倍和5.9倍。此外在同向非對稱分布時(shí),提出的聲子晶體諧振器擁有極低諧振頻率,相應(yīng)的諧振波長約為晶格常數(shù)的4.6倍。5)提出一種利用小靜磁場調(diào)整聲子晶體性能的方法。將永磁體固定在散射體上,永磁體在外部靜磁場的作用下產(chǎn)生磁扭矩效應(yīng)而帶動散射體發(fā)生變形,聲子晶體的晶格常數(shù)及能帶結(jié)構(gòu)因而發(fā)生較大改變,聲子晶體的性能(如透射譜)也產(chǎn)生較大變化,結(jié)果表明一個(gè)130 Oe大小的外靜磁場可以顯著地改變聲子晶體器件的性能,該磁場閾值大約只有先前相關(guān)研究的1/100。6)提出了采用聲子晶體諧振器與機(jī)電赫姆霍茲諧振器(EMHR)相結(jié)合的高效、多方向聲能采集器。聲子晶體諧振器與機(jī)電赫姆霍茲諧振器之間的強(qiáng)聲場耦合作用增強(qiáng)了聲波的匯聚效應(yīng),從而提高了聲能采集效率。建立了聲能采集器輸出電壓譜及輸出電壓、功率的阻抗特性實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng),對比了提出的兩種聲能采集器的輸出電壓及功率特性,同時(shí)研究了提出的聲能采集器對多方向聲波激勵(lì)的電壓響應(yīng)輸出。最后測試了聲能采集器結(jié)合后端電源管理電路時(shí)對無線傳感節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動能力。聲子晶體諧振器的選擇有兩種,一種是采用圓柱體散射體的傳統(tǒng)聲子晶體諧振器(Cy-PCR),對應(yīng)的采集器為Cy-PCR/EMHR;另一種是提出的具有高Q值、大聲壓增益的采用十字板散射體聲子晶體諧振器Cr-PCR,對應(yīng)的采集器為Cr-PCR/EMHR。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與傳統(tǒng)單獨(dú)采用Cy-PCR或EMHR的聲能采集器相比,采用Cy-PCR/EMHR的聲能采集器具有23倍、262倍的最大采集效率;而在聲波多個(gè)方向激勵(lì)時(shí),采用Cr-PCR/EMHR聲能采集器的最大輸出功率體密度是采用Cy-PCR/EMHR聲能采集器的13.6~22倍。7)構(gòu)建了一種采用聲能采集器、后端電源管理電路和無線傳感器節(jié)點(diǎn)的聲能供電式無線傳感器節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測試了電源管理電路的充放電特性,并測試了其對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動能力。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,在100 d B的聲波持續(xù)45.5分鐘激勵(lì)下,聲能采集器結(jié)合后端電源管理電路驅(qū)動了最大功耗為78 m W的無線傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期620 ms的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送工作。
【關(guān)鍵詞】：聲子晶體 聲子晶體諧振器 聲波局域化效應(yīng) 機(jī)電赫姆霍茲諧振器 聲能采集器
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O735
【目錄】：

• 中文摘要3-6
• 英文摘要6-13
• 1 緒論13-35
• 1.1 研究目的及意義13-14
• 1.2 聲子晶體研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 一維聲子晶體14-15
• 1.2.2 二維聲子晶體15-17
• 1.2.3 三維聲子晶體17
• 1.2.4 聲子晶體缺陷態(tài)17-18
• 1.3 能量采集研究現(xiàn)狀18-27
• 1.3.1 太陽能量采集18-20
• 1.3.2 振動能量采集20-22
• 1.3.3 電磁場能量采集22-23
• 1.3.4 流體能量采集23-25
• 1.3.5 熱能能量采集25-26
• 1.3.6 聲能量采集26-27
• 1.4 聲能采集技術(shù)27-33
• 1.4.1 直接聲能采集27-28
• 1.4.2 采用赫姆霍茲諧振器的聲能采集28-32
• 1.4.3 采用聲子晶體諧振器的聲能采集32
• 1.4.4 不同聲能采集技術(shù)對比32-33
• 1.5 存在的問題及主要研究內(nèi)容33-35
• 2 聲子晶體理論基礎(chǔ)35-51
• 2.1 引言35
• 2.2 能帶理論35-41
• 2.2.1 倒格矢空間35-36
• 2.2.2 Brillouin區(qū)和Bloch定理36-38
• 2.2.3 能帶結(jié)構(gòu)38-39
• 2.2.4 缺陷態(tài)特性及聲波局域化效應(yīng)39-41
• 2.3 聲子晶體理論模型和研究方法41-50
• 2.3.1 平面波展開法41-46
• 2.3.2 有限元法46-50
• 2.4 本章小結(jié)50-51
• 3 多層耦合聲子晶體諧振器51-71
• 3.1 引言51
• 3.2 雙層耦合聲子晶體諧振器51-60
• 3.2.1 能帶結(jié)構(gòu)52-55
• 3.2.2 增強(qiáng)型聲波局域化效應(yīng)55-57
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)樣品及測量系統(tǒng)57-59
• 3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論59-60
• 3.3 多層耦合聲子晶體諧振器60-68
• 3.3.1 能帶結(jié)構(gòu)62-66
• 3.3.2 增強(qiáng)型聲波局域化效應(yīng)66-68
• 3.4 本章小結(jié)68-71
• 4 異質(zhì)聲子晶體諧振器71-93
• 4.1 引言71
• 4.2 十字型散射體聲子晶體諧振器（Cr-PCR）71-80
• 4.2.1 能帶結(jié)構(gòu)及透射譜71-73
• 4.2.2 聲波局限模態(tài)73-75
• 4.2.3 高Q值形成機(jī)理75-79
• 4.2.4 實(shí)驗(yàn)樣品及測量系統(tǒng)79
• 4.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析79-80
• 4.3 多級局域共振型聲子晶體諧振器80-88
• 4.3.1 能帶結(jié)構(gòu)81-85
• 4.3.2 聲壓增益特性85-88
• 4.4 聲子晶體器件的可調(diào)性88-92
• 4.4.1 工作原理89-90
• 4.4.2 能帶結(jié)構(gòu)的可調(diào)性90-92
• 4.5 本章小結(jié)92-93
• 5 采用聲子晶體與機(jī)電赫姆霍茲諧振器式聲能采集器93-113
• 5.1 引言93
• 5.2 采用Cy-PCR/EMHR型聲能采集器93-103
• 5.2.1 聲子晶體諧振器Cy-PCR的工作機(jī)理94-96
• 5.2.2 機(jī)電赫姆霍茲諧振器EMHR工作機(jī)理96-99
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)樣品及測試系統(tǒng)99-101
• 5.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析101-103
• 5.3 采用Cr-PCR/EMHR型聲能采集器103-111
• 5.3.1 Cr-PCR/EMHR耦合結(jié)構(gòu)工作機(jī)理104-105
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)樣品及測試系統(tǒng)105-106
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析106-111
• 5.4 本章小結(jié)111-113
• 6 聲能供電式無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及性能測試113-121
• 6.1 引言113
• 6.2 聲能供電式無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)113-118
• 6.2.1 聲能采集器114-116
• 6.2.2 電源管理電路116-118
• 6.3 聲能供電式無線傳感器節(jié)點(diǎn)性能測試118-120
• 6.3.1 充電特性測試118-119
• 6.3.2 節(jié)點(diǎn)驅(qū)動測試119-120
• 6.4 本章小結(jié)120-121
• 7 結(jié)論121-125
• 致謝125-127
• 參考文獻(xiàn)127-141
• 附錄141-143
• A. 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的相關(guān)論文141-142
• B. 攻讀博士期間獲得的榮譽(yù)142
• C. 攻讀博士期間參與的相關(guān)課題142-143

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 朱學(xué)軍,楊賢智;高速鐵路噪聲污染及其防治[J];上海環(huán)境科學(xué);1997年12期

2 辜小安;日本新干線鐵路噪聲現(xiàn)狀及控制[J];鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保;2000年03期

3 曹永軍;董純紅;周培勤;;一維準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)聲子晶體透射性質(zhì)的研究[J];物理學(xué)報(bào);2006年12期

  本文關(guān)鍵詞：聲子晶體諧振器及其聲能采集器研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：483492