声子晶体在减振除噪、声聚焦成像、隐身等领域具有广泛的应用前景,特别是含点缺陷的声子晶体(即声子晶体谐振器)因为其缺陷态而引起的声波局域化效应能够有效地局限汇聚声波、放大声压,所以声子晶体谐振器可以应用于声能采集技术等。但是当前已有的声子晶体谐振器因其较小的声压增益、极低的谐振Q值导致较低的声能采集效率,从而限制了其在声能采集领域的进一步广泛应用。声能采集技术的开发可以为低功耗的电子器件供能从而解决其电池问题,同时还能给环境降噪。但现实环境中声能密度低且声波来源为多个方向,因此如何设计大声压增益、高谐振Q值的声子晶体谐振器来实现高效、多方向的声能采集成为相关研究的难点与重点。本论文在国家863计划和国家自然科学基金的资助下从理论与实验两方面对声子晶体谐振器结构进行了深入的研究,并且探索了声子晶体谐振器在声能采集器方面的应用。论文的具体工作和主要研究内容如下:1)提出了一种双层耦合声子晶体谐振器结构,它由两个不同大小的采用圆柱体散射体的声子晶体谐振器相嵌套而成,声子晶体谐振器之间的声波耦合作用增强了整个耦合结构的声波局域化效应并提高了其谐振声压增益。对比分析了单层和双层耦合声子晶体谐振器的带隙特性、声波局域化效应及声压增益谱,并建立声压增益测试系统对单层、双层耦合声子晶体谐振器的声压增益频谱进行了测量。实验结果表明:与单层声子晶体谐振器相比,双层耦合声子晶体谐振器结构拥有更强的声波局域化效应和2.1~3.3倍的谐振声压增益。实验结果与理论分析吻合。2)提出了一种多层耦合声子晶体谐振器结构,由不同散射体大小、数目的多个声子晶体嵌套而成。各层声子晶体的带隙及缺陷带之间的交叉耦合作用导致多层耦合声子晶体谐振器其能带结构中出现了对应强声波局限模态的超平坦通带,因此多层耦合声子晶体谐振器拥有更强的声波局域化效应和更大的谐振声压增益。分析了不同耦合层数对声子晶体谐振器的带隙特性、声压增益谱、谐振Q值的影响。分析结果表明,多层耦合声子晶体谐振器的声压增益峰值与耦合层数成正比,声压增益峰值的增率与层数的平均变化率约为2.73倍/层。与相同大小的单层声子晶体谐振器相比,五层耦合声子晶体谐振器拥有33.9倍的声压增益峰值和36.7倍的谐振Q值。3)提出了一种采用十字板的高Q值、大声压增益的声子晶体谐振器(Cr-PCR)。十字板独有的凹角对声波的强方向性散射导致了强烈的声波局域化效应,从而产生了高谐振Q值、大声压增益的多声波局限点。主要分析了十字板厚度对声子晶体谐振器的能带结构、谐振频率、声压增益及谐振Q值的影响。实验测量并对比了提出的Cr-PCR与传统采用圆柱体散射体的声子晶体谐振器(Cy-PCR)的声压增益谱和谐振Q值。实验结果显示:提出的Cr-PCR结构在各声波局限点呈现出2020~3535的谐振Q值和14.3~16.6的谐振声压增益;它们分别是传统Cy-PCR结构相应参数的202~353.5倍和5.3~6.1倍。实验结果与理论分析吻合。4)提出了一种亚波长、大声压增益的多级局域共振声子晶体谐振器结构,其散射体采用多个亚波长共振的赫姆霍兹谐振器的嵌套结构。各个多级赫姆霍兹谐振器辐射出的被其增强放大的声波,在声子晶体谐振器腔体中心处发生同相叠加,从而在亚波长范围内产生强的声波局域化效应及大的声压增益。分析不同嵌套级数、不同取向的赫姆霍兹谐振器散射体对声子晶体谐振器的能带结构、谐振频率、声压增益的影响。分析结果表明提出的亚波长多级局域共振声子晶体谐振器,在赫姆霍兹谐振器散射体同向非对称分布和非同向对称分布时的最大声压增益,分别是传统采用刚性散射体声子晶体谐振器的4.2倍和5.9倍。此外在同向非对称分布时,提出的声子晶体谐振器拥有极低谐振频率,相应的谐振波长约为晶格常数的4.6倍。5)提出一种利用小静磁场调整声子晶体性能的方法。将永磁体固定在散射体上,永磁体在外部静磁场的作用下产生磁扭矩效应而带动散射体发生变形,声子晶体的晶格常数及能带结构因而发生较大改变,声子晶体的性能(如透射谱)也产生较大变化,结果表明一个130 Oe大小的外静磁场可以显著地改变声子晶体器件的性能,该磁场阈值大约只有先前相关研究的1/100。6)提出了采用声子晶体谐振器与机电赫姆霍兹谐振器(EMHR)相结合的高效、多方向声能采集器。声子晶体谐振器与机电赫姆霍兹谐振器之间的强声场耦合作用增强了声波的汇聚效应,从而提高了声能采集效率。建立了声能采集器输出电压谱及输出电压、功率的阻抗特性实验测试系统,对比了提出的两种声能采集器的输出电压及功率特性,同时研究了提出的声能采集器对多方向声波激励的电压响应输出。最后测试了声能采集器结合后端电源管理电路时对无线传感节点的驱动能力。声子晶体谐振器的选择有两种,一种是采用圆柱体散射体的传统声子晶体谐振器(Cy-PCR),对应的采集器为Cy-PCR/EMHR;另一种是提出的具有高Q值、大声压增益的采用十字板散射体声子晶体谐振器Cr-PCR,对应的采集器为Cr-PCR/EMHR。实验结果表明:与传统单独采用Cy-PCR或EMHR的声能采集器相比,采用Cy-PCR/EMHR的声能采集器具有23倍、262倍的最大采集效率;而在声波多个方向激励时,采用Cr-PCR/EMHR声能采集器的最大输出功率体密度是采用Cy-PCR/EMHR声能采集器的13.6~22倍。7)构建了一种采用声能采集器、后端电源管理电路和无线传感器节点的声能供电式无线传感器节点。实验测试了电源管理电路的充放电特性,并测试了其对无线传感器节点的驱动能力。实验测试结果表明,在100 d B的声波持续45.5分钟激励下,声能采集器结合后端电源管理电路驱动了最大功耗为78 m W的无线传感器节点一个周期620 ms的数据采集、发送工作。