基于声子晶体的弹性波拓扑传输研究

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基于声子晶体的拓扑传输在近几年是一个研究热点,它具备低损耗背散射抑制和缺陷免疫的优异特性,在声信号探测和控制方面拥有着巨大的潜力。但是目前很多拓扑传输的研究都是以流体为基体的,被流体的特性所限制。相对而言以固体为基体的研究会更加有助于拓扑器件的实际应用。针对此问题,本文以固体为传输基体,设计两类不同的声子晶体。利用有限元软件COMSOL,基于能带反转分别实现弹性波的拓扑传输,为拓扑传输的实际应用提供了新的可靠思路。本文的主要研究内容为:(1)设计一种由细杆和圆柱连接而成的杆柱型声子晶体,计算单胞的能带得到了打开后可以形成完全禁带的狄拉克点。通过改变单胞中两个圆柱的半径大小,实现能带的反转,建立超胞并计算其能带,观察到不同拓扑性质的声子晶体拼接形成的界面处的边界态。依次建立直线形的波导,没有缺陷的“Z”字形波导和含有缺陷的“Z”字形波导。在边界态对应的频率范围附近进行频域传输效果的模拟和计算能量透射谱。从计算结果中可以得出无论是在直线形波导中、没有缺陷的“Z”字形波导中,还是在含有缺陷的“Z”字形波导中,能量的损耗都较低且受弯角和缺陷影响较小。完成基于杆柱型声子晶体的拓扑传输的设计。(2)设计一种中间有扇叶形孔洞的孔洞型声子晶体,计算单胞的能带得到打开后能够形成完全禁带的狄拉克点。并且通过研究不同旋转角度散射体对应的单胞,发现能带的拓扑性质呈现周期性的变化,出现了反转。完成了偶然狄拉克点和必然狄拉克点随散射体旋转角度的变换。计算不同拓扑性质声子晶体拼接成的超胞的能带,得到超胞的边界态。接着,将不同旋转角度的散射体对应的单胞按照不同的方式拼接成一个六边形,每个六边形模型里有六个波导,在频域仿真里证明拓扑边界态的存在。分别建立一个没有缺陷的几字形波导和一个含有缺陷的几字形波导。在边界态对应的频率范围附近,进行频域传输效果的模拟和计算能量透射谱。从计算结果中可以明显看到无论是在没有缺陷的几字形波导中,还是在含有缺陷的几字形波导中,能量的损耗都是很低的且几乎不受弯角和缺陷的影响。最后模拟实际加工造成的缺陷,证明本设计具有一定的误差容忍性。完成基于孔洞型声子晶体的拓扑传输的设计。
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