二维压电蜂窝状声子晶体中声表面波带隙的研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:masterwhl
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声子晶体是一种结构呈周期性的弹性介质,在某些特殊频段内具有抑制弹性波的特性即带隙。压电弹性材料存在电能与机械能相互转化的功能,因此被广泛应用于智能结构中,例如传感器、滤波器等。将压电材料引入到声子晶体中会出现特有的声波和弹性波带隙,这种带隙特性为改善弹性波滤波、导波以及声功能器件设计创造了一种新的思路。本文针对布洛赫定理下两种散射体不同的声表面波声子晶体,采用有限元法仿真计算了其频散曲线、传输特性、振动位移场等。内容如下:简单介绍了声子晶体基础理论,含有倒格子、布里渊区等。以铌酸锂压电材料为基底介绍了有限元法仿真声表面波声子晶体频散曲线的理论公式,并给出了有限元Comsol软件计算案例能带结构的详细过程及步骤。最后为验证能带结构中声表面波带隙的正确性,又介绍了计算传输损失的理论、模型及计算步骤。设计了将部分散射体嵌入压电基底中构成二维嵌入型声表面波声子晶体,研究其带隙特性。结果表明:相对于直接沉积式结构,嵌入式结构具有更低更多的声表面波带隙以及存在更多的几何自由度来调控带隙。同时,分析了嵌入式结构中即存在局域共振带隙也存在Bragg带隙。此外,研究了声表面波带隙的多个影响因素,发现改变散射体几何参数可以调节带隙特性,如高度和直径。压电效应对声表面波带隙的影响不大,而增大单胞晶格常数时带隙逐渐减小直至消失。影响声表面波带隙的主要因素是散射体材料的密度和弹性模量。为了更加有效的来调控声表面波带隙特性,在纯弹性材料散射体底部添加了较小弹性模量的环氧树脂组成复合型声子晶体。研究发现:与纯散射体声子晶体相比,复合型声子晶体能够有效降低其声表面波完全带隙,并产生了多条方向带隙,但结合传输特性显示声表面波带隙频段的传输率将会有所减弱。此外,经过分析带隙边缘频率的本征位移场讨论了带隙的形成机理。同时,研究了散射体几何尺寸对声表面波完全、方向带隙的调节,发现存在较宽大的方向带隙。最后分析了晶格形式对声表面波带隙的影响,得出对较低频段局域共振带隙无影响,对较高频段的Bragg带隙影响较大。本文研究内容对调控微米尺度声表面波声子晶体的带隙特性提供了一定参考,为微型声子晶体的设计提供了崭新思路。
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