聲子晶體概述

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1、聲子晶體概述XXX院（系）：理學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)學(xué)　　號：1100700203指導(dǎo)教師：韓喜江2013年3月題目聲子晶體　　　　　專業(yè)應(yīng)用化學(xué)學(xué)　　號110070020X學(xué)生XXX指導(dǎo)教師韓喜江摘要聲子晶體就是彈性常數(shù)在空間呈周期性排列的人工晶體。聲子晶體是由彈性固體周期排列在另一種固體或流體介質(zhì)中形成的一種新型功能材料。通過類比光子晶體，人們發(fā)現(xiàn)彈性波在周期彈性復(fù)合介質(zhì)中傳播時，也會產(chǎn)生類似于光子帶隙的彈性波帶隙，從而提出了聲子晶體的概念。由于聲子晶體具有禁帶、缺陷態(tài)等特性使得它在減振、降噪、聲學(xué)器件等方面有著潛在的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：聲子；聲子晶體；減振；降噪

2、。一、聲子概念的提出◆1883年，F(xiàn)loquet關(guān)于一維Mathieus方程的研究，首次考慮了周期結(jié)構(gòu)中波的傳播?！?887年，Rayleigh率先研究了連續(xù)周期結(jié)構(gòu)中波的傳播特性，指出結(jié)構(gòu)中存在無波傳播的頻帶。◆1953年，Brillouin對波在周期介質(zhì)中的傳播特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。◆1992年，M.MSigalas,E.N.Econnmou首次從理論上證實了三維周期點陣結(jié)構(gòu)中彈性波帶隙的存在性?！?993年，M.S.Kushwaha研究二維周期介質(zhì)時首次明確提出聲子晶體的概念。◆2000年9月，Science刊登了劉正猷提出的聲子晶體的局域共振帶隙機(jī)理

3、。二、聲子晶體的特性由于聲子晶體具有彈性波帶隙，它具有這樣的性質(zhì)：、減緩波速效應(yīng)、聲聚焦、彈性波定向、超準(zhǔn)直、沿缺陷傳播、聲吸收、等效的負(fù)剛度、負(fù)密度、負(fù)折射率、和光子的相互作用、聲致熱導(dǎo)率減小、反常多普勒效應(yīng)等特性。因此聲子晶體多用于減振、降噪、聲學(xué)器件方面。聲子晶體和我們平時接觸的晶體是不一樣的，聲子晶體是多種彈性介電材料組成的周期性結(jié)構(gòu)，研究對象是彈性波在晶體中的傳播，波動是一種彈性波（電磁波），聲子晶體的晶格是0.1到1um，它的特征是彈性波（光子）帶隙和缺陷表面態(tài)；而平時我們接觸的晶體多為電子晶體，是一種結(jié)晶體，其研究對象是其電子的運(yùn)輸行為，波動為德布

4、羅意波，晶格為0.1到0.5nm，其特征是電子帶隙、缺陷態(tài)和表面態(tài)。三、聲子晶體在應(yīng)用在減振方面，利用聲子晶體的禁帶特性，可以為高精密機(jī)械加工系統(tǒng)提供一定頻率范圍內(nèi)的無振動工作環(huán)境。在降噪方面，利用聲子晶體的禁帶特性，有可能設(shè)計和制造出一種全新的降噪材料。這種材料既可以在噪聲的傳播過程中被隔離，又可以在噪聲源處予以制。根據(jù)局域共振機(jī)理，如果聲子晶體低頻禁帶的編織技巧能夠突破，聲子晶體將的消聲瓦、聲納等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。正是由于缺陷態(tài)的存在，人們可以設(shè)計出新型的高效率、低能耗的聲學(xué)濾波器，也可以設(shè)計出具有高聚焦特性、低能耗的聲學(xué)透鏡等1、減振方面的發(fā)展情況據(jù)

5、聲子晶體帶隙的基本性質(zhì)——當(dāng)聲波(彈性波)的頻率處于禁帶范圍內(nèi)時,聲波(彈性波)及振動是不允許通過的。由此設(shè)計和制造出一種基于這種新理論的隔音隔振材料。特別是在常規(guī)阻尼材料所不能發(fā)揮效能的范圍之應(yīng)用尤為引人注意。如大量的理論計算已表明,我們可以為超精加工、精密儀器等在一定頻率范圍內(nèi)提供無振動的環(huán)境,這樣就可能為高精尖裝備和儀器制造出關(guān)鍵性核心器件,達(dá)到其特殊的精度要求。由于三維周期性復(fù)合材料的力學(xué)性能，可以得到顯著改善，因此既適用于結(jié)構(gòu)件(如板、梁、殼)，也適用于傳動構(gòu)件(如機(jī)器人手臂、高速連桿機(jī)構(gòu)、齒輪)。實際工程中，許多結(jié)構(gòu)（如磁懸浮列車的承載導(dǎo)軌、多跨距橋

6、梁、船舶工程或航天工程、立體車庫）中，廣泛應(yīng)用的加筋板及柵格結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星及太空站使用的大型柔性空間結(jié)構(gòu)等，均具有共同特點———周期性。這些結(jié)構(gòu)一般是由一些相同結(jié)構(gòu)單元以相同方式連接而成的。聲子晶體是傳統(tǒng)周期結(jié)構(gòu)中的一種特殊類別，因此可以結(jié)合和利用聲子晶體的相關(guān)理論，通過合理設(shè)計周期結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料參數(shù)，從而在一定頻率范圍內(nèi)抑制結(jié)構(gòu)振動的傳播，并降低由振動引起的聲輻射，對提高結(jié)構(gòu)的工作性能及抗疲勞能力具有重要意義。彈性薄板廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、土建和化工等工業(yè)。因而研究存在振動帶隙的彈性薄板型聲子晶體，將會有廣泛的應(yīng)用前景[1]。在汽車減振降噪技術(shù)方面，實踐

7、證明由發(fā)動機(jī)振動經(jīng)發(fā)動機(jī)懸置、副車架、車身縱梁傳至車身頂棚造成的中低頻噪聲(30～400Hz)，仍然是當(dāng)前車內(nèi)噪聲控制的一個難題。頂棚是車內(nèi)的主要振動板件，通過抑制頂棚的振動可以很好地解決車內(nèi)中低頻振動噪聲問題。頂棚振動主要由發(fā)動機(jī)的二階和高階振動引起，頻率覆蓋范圍較寬，因此設(shè)計的聲子晶體應(yīng)該具有起始頻率低且?guī)遁^寬的特性[2]。復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲子晶體對頂棚振動的傳遞起到了一定的衰減作用，并將頂棚的聲輻射水平從１５４．８ｄＢ降低到１５０．１ｄＢ，降低了將近５ｄＢ。將聲子晶體按周期結(jié)構(gòu)排列，且分布在靠近振源的位置更有利于其發(fā)揮減振降噪的作用在整車頂棚上加聲子晶體后，頂

8、棚上一點在大多數(shù)頻率的振