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本文首先从二元二维声子晶体入手,从理论和实验两方面研究了若干不同尺寸的复合材料的声波能量传输情况,验证了声波禁带的存在性。然后用相同的方法计算和观察了三元二维声子晶体内声波的能量传输情况;比较和分析了二元和三元复合材料能带结构的差异,并且利用中间橡胶包层内的声场分布情况较好的解释了这一差异存在的原因。
此外,分别研究了周期性排列和局域化共振对二元和三元声子晶体禁带结构的影响,在逐渐增加嵌入物的个数和周期单元的过程中,观察到了声波禁带的产生。根据讨论和分析可知,Bragg全反射是造成二元声子晶体声波禁带产生的主要原因,而三元声子晶体的禁带产生是Bragg全反射和中间橡胶包层对声波的局域化共同作用的结果。
最后,从实验的角度观察了缺陷态对声子晶体禁带结构的影响,这一影响将具有很大的实用价值,有待于今后进一步的仔细研究。
本研究工作对声子晶体理论与实验的贡献在于:
1、当前国内外研究较多的是二元二维声子晶体和三元三维声子晶体,而本文则主要研究了三元二维声子晶体的声波传输情况和能带结构。理论上,采用有限元的方法,计算了若干不同尺寸的三元复合材料的能量传输谱。在实验中,采用和理论计算相同的材料参数和尺寸,观察到了和理论计算符合较好的声波禁带。另外,初步研究了三元二维声子晶体缺陷态材料的能量传输情况,在实验中观察到了缺陷态声波模式,为今后的声子晶体缺陷态的理论研究工作奠定了一定的基础。
2、从单个柱体复合单元入手,计算了二元和三元复合材料柱体单元内外各介质内的声场分布和能量传输情况。通过比较两者的不同,发现,正是由于中间橡胶包层的存在影响了某个频段的声波的传输情况,造成了三元声子晶体和二元声子晶体禁带结构的差异,这一发现对于控制禁带位置和禁带宽度具有很大的意义。
3、对于三元声子晶体禁带的产生机理作了一定的研究,得出了嵌入物的周期性结构和局域化共振的共同作用导致了三元声子晶体禁带的产生,具体由哪个因素起作用则与入射声波的频率有很大的关系。