【摘 要】
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声子晶体由于其带隙机理以及对声波的运动状态可以人为地进行调控,近几年在各个领域被广泛应用。本文利用声子晶体的禁带特性、聚焦功能以及缺陷态结构,以超声频段为对象研究
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声子晶体由于其带隙机理以及对声波的运动状态可以人为地进行调控,近几年在各个领域被广泛应用。本文利用声子晶体的禁带特性、聚焦功能以及缺陷态结构,以超声频段为对象研究声子晶体滤波特性。从声子晶体的弹性波、晶格及能带理论出发,设计了由铅、橡胶和环氧树脂组成的三组元局域共振型二维剖面声子晶体结构。在四角晶格的基础上,材料参数不变,通过改变散射体的阵列引入缺陷态,设计了三角晶格结构、六角晶格结构及复式晶格结构,基于平面波展开法和有限元法分别仿真出四种不同晶格的能带结构。仿真结果得出,通带频率范围内有较好的汇聚效果,当频率无法与声子晶体产生共振或在声子晶体内部传输过程中迅速衰减而进入阻带范围,由此起到滤波的作用。其中,四角晶格结构在10MHz内根据阵列结构的不同可设计为带阻滤波器或低通滤波器,三角晶格在1100kHz内为带通滤波器,六角晶格与复式晶格结构在200kHz内为多通道滤波器。改变声子晶体的晶格结构类型,其通禁带范围也随之变化,较好地实现了滤波频率的可调性。以二维剖面为基础设计三维三角晶格声子晶体结构并对其进行有限元仿真,结果与二维剖面结构基本一致。根据仿真中设定的材料参数,结合3D打印技术打印出三角晶格的基体材料,并通过穿入铅芯以及灌入橡胶完成声子晶体结构的制备。设计超声检测的发射与接收模块,采用40kHz~1000kHz范围里七个不同频率的超声探头进行测试,从输出首波幅值的高低观察各频率点的通过性。有声子晶体时的测试结果与仿真结果较为吻合,无声子晶体时的输出幅值不存在明显的增强或衰减现象,验证了三角晶格声子晶体结构具备滤波特性。
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