人工复合结构对弹性波的超常调控及其应用设计

作者：吴吉恩

来源：硕士, 吉首大学, 2018.

• 弹性波
• 声超常材料
• 单向
• 声子晶体
• 压电
• 可调阻抗匹配层

近几十年来,人工复合结构由于其独特的声学性质而受到人们的广泛关注。对人工复合结构早期的研究主要集中于声子晶体(Sonic Crystals),它可以实现对声波/弹性波的超控。通过对能带结构的分析,可以方便地研究声子晶体的声学特性。因此,许多具有不同功能的声子晶体结构都是通过调节能带来实现的。随着对声子晶体的深入研究,由局域共振型声子晶体发展而来的声超常材料(Sonic Metamaterials),也成为了关注焦点。相比于传统声子晶体,它可以实现亚波长尺寸的声超控。然而,无论声子晶体还是声超常材料,一旦设计和制造出来以后,其声学特性是固定不变的,这极大地限制了与之相关的设计应用。而压电复合结构的声学特性可以通过外接分流电路来调控。因此,压电复合结构的声学特性具有很好的可调性。近年来,相关的研究工作层出不穷。本论文设计了一种功能性材料和三种应用结构/器件,用来实现对弹性波的超常调控或测量分析。包括三负声超常材料、基于声子晶体波导管模式转换的弹性波单向传输结构、基于单向传输结构的弹性波偏振敏感型器件和基于压电分流电路的可调声阻抗匹配层。第二章中,我们设计了具有多种局域共振的三负声超常材料。该材料在同一频率范围内具有负的有效质量密度、有效体积模量和有效切模量,分别由偶极、单极和四极共振导致。因此,出现两条负带,一条为纵波,另一条为横波。随后,为了验证这两条负带,进行了负折射仿真试验。结果表明,同一频率的横波和纵波均出现负折射现象。也就是说,该三负声超常材料有能力同时控制两种类型的弹性波。我们还注意到,纵波入射时,出射波只有横波,因此该材料也可以用来制作横、纵波相互转化器件。第三章中,我们设计了一种弹性波单向传输结构。并且基于该结构,设计了一种弹性波偏振敏感型器件。单向传输结构由两根相互垂直的波导管和点缺陷组合而成。当波以对称模式从入口波导管入射时,以反对称模式从出口波导管出射。经过验证,这种现象由波导管和谐振腔的模式匹配所导致。然而,当波以对称模式从出口波导管入射时,由于波导管和谐振腔的模态不匹配,入口波导管中没有出射波。随后基于单向传输结构,我们设计了一种偏振敏感型结构,用来测量混合弹性平面波的偏振角。这种偏振敏感型结构,在弹性波检测中具有潜在的应用价值。同时也可利用单向传输和模式转换机制来设计弹性波二极管集成器件和波导模式转换器等。第四章中,我们设计了一种可调梯度声阻抗匹配层。该匹配层由十层压电陶瓷片构成,每层陶瓷...

• 单位
  吉首大学