声子晶体的应用

声子晶体的基本原理与应用
1. 声子晶体简介
1.1 声子晶体的定义 1.2 声子晶体的结构和特点 1.3 声子晶体的分类
2. 声子晶体的基本原理
2.1 声子晶体中的声子模式 2.2 声子晶体中的声子色散关系 2.3 声子晶体中的声子带隙
3. 声子晶体的制备技术
3.1 基于布拉格散射的制备方法 3.2 基于光子晶体技术的制备方法 3.3 基于声子晶体技术的制备方法
4. 声子晶体的应用领域
4.1 声子晶体在光学领域的应用 4.2 声子晶体在声学领域的应用 4.3 声子晶体在能量传输和存储领域的应用 4.4 声子晶体在传感器领域的应用
5. 声子晶体的未来展望
5.1 声子晶体的发展趋势 5.2 声子晶体的潜在应用 5.3 声子晶体研究的挑战
结论
声子晶体作为一种新型的材料结构，在光学、声学、能源和传感器等领域具有广泛的应用前景。

随着技术的不断进步和对新材料需求的提高，声子晶体将在未来实现更多的创新和应用。

相信通过不断的研究和发展，声子晶体的潜力将得到更好的发挥，为我们的生活带来更多的便利和创新。

工 业 技 术113科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 1 平面波方法的理论推导根据文献[7],在材料连续、均匀、线弹性和各向同性以及小形变等基本假设下,考虑一个任意小的体积微元,可以建立描述质点力、位移以及应力应变之间关系的三类基本方程,分别见以下三点。

1.1运动微分方程(力与位移的关系)1.2几何方程(位移和应变的关系)1.3物理方程(应变和应力的关系),其中是拉梅常数。

根据布洛赫定理,声子晶体的本征场具有这样的形式:(1)密度,拉梅常数,与具有相同的空间周期性,可以把它们展开成相同的傅立叶形式,写成:平面波展开法在声子晶体中的应用赵芳(华南理工大学广州学院物理实验中心 广东广州 510800)摘 要:本文选择用平面波展开法对二维声子晶体的带结构进行了研究。

关键词:声子晶体 带结构 数值计算 平面波展开法中图分类号:T M31文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0113-01图1 正方点阵的第一布里渊区,阴影部分为不可约布里渊区.(2)现在我们看下密度和拉梅常量的傅立叶系数。

根据傅立叶系数的定义,可得出以下结论。

当, (3)其中第二项等于0,所以。

我们定义叫结构函数,我们可以看出,这个结构函数是只和散射体A的几何形状有关,而和元胞的形状无关。

2 数值计算模型和结果计算模型是长方形的无限长铅柱呈正方点阵排列在环氧树脂基体中,其中L1是铅柱的长,L2是铅柱的宽,L1/L2=1.1,A=0.4,填充率F=0.4。

铅的密度为11350kg/m 3,环氧树脂的密度为1200kg/m 3,铅的横波速度为860m/s,环氧树脂的横波速度为1160m/s,铅的纵向波速为2158m/s,环氧树脂的纵向波速为2830m/s。

从计算结果来看,平面波方法很方便的计算出了声子晶体材料的带结构。

(如图1图2)3 结语简要介绍了各种声子晶体数值计算的常用方法及其优缺点.从弹性波的波动方程出发,推导了二维声子晶体的平面波展开方法的代数本征值方程,给出了密度、拉梅常数的傅里叶系数的计算方法,并进行计算验证了声子晶体的带隙的存在。

V ol 38No.4Aug.2018噪声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第38卷第4期2018年8月文章编号：1006-1355(2018)04-0006-06二维声子晶体带隙特性分析与应用研究姜超君1，2，向阳1，2，张波1，2，郭宁1，2，何鹏1，2（1.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063；2.船舶动力系统运用技术交通行业重点实验室，武汉430063）摘要：声子晶体在减振方面拥有广泛应用前景，而带隙分析是将其付诸应用的首要前提。

先利用有限元法研究结构与材料参数对带隙的影响，接着基于带隙特性分析的结果，根据实验所得的典型船用离心泵机脚的振动特性，设计以硅橡胶为基体、铅为散射体的声子晶体薄板。

将声子晶体引入舱段减振设计中并进行相应的数值响应验证，结果表明：将所设计的声子晶体薄板插入舱段的内底板，在带隙作用范围内可有效阻抑振动传递，并降低舱段外壳的振动响应。

关键词：声学；声子晶体；带隙特性；离心泵；减振降噪中图分类号：TB532文献标志码：ADOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.04.002Analysis and Application of Band Gap Characteristics ofTwo-dimensional Sonic CrystalsJIANG Chaojun 1,2,XIANG Yang 1,2,ZHANG Bo 1,2,GUO Ning 1,2,HE Peng 1,2(1.School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology,Ministry of Communications,Wuhan 430063,China )Abstract :Sonic crystal has great prospects in vibration damping,while the analysis of band gap characteristics is the primary prerequisite.Therefore,the effects of structure and material parameters of the sonic crystal on band gap were studied with FE method in this paper.According to the results of the analysis of band gap characteristics and the vibration performance data of a ship centrifugal pump foundation from the test,the sonic crystal plate with silicone rubber as the matrix and lead as scatter was designed.The vibration damping of a cabin with sonic crystal was designed and studied through harmonic response calculation.The results show that a good inhibition of vibration can be gained when sonic crystal plate is used as elastic interlayers inside the bottom board and the vibration response of the cabin shell is reduced.Keywords :acoustics;sonic crystal;band gap characteristics;centrifugal pump;vibration and noise reduction声子晶体是指两种或两种以上弹性材料构成的周期结构功能材料，传入其中的弹性波由于和周期结构相互作用，在一定频率范围内将无法透过并继续传播，此特定频段即弹性波带隙[1]。

二维三角晶格声子晶体概述及解释说明1. 引言1.1 概述二维三角晶格声子晶体是一种具有特殊结构和性质的物质。

声子晶体是指在周期性介质中存在着禁带，类似于电子晶体中的能带结构。

而二维三角晶格则是最简单且具有重要意义的二维晶体结构之一，其拥有稳定的布拉菲格子和高度对称的几何形状。

本文将探讨二维三角晶格中声子晶体的形成、结构及其应用等方面内容，并运用实验方法与理论模拟相结合的方式来验证和解释所得结果。

1.2 文章结构本文共分为五个主要部分。

首先是引言部分，概述了本文要研究的对象——二维三角晶格声子晶体，并说明了研究目的和文章结构。

接下来，第二部分将详细介绍声子晶体的概念及在二维三角晶格中的特点和应用。

第三部分将具体介绍实验方法及结果分析，并对实验结果进行讨论，同时提出未来进一步展望。

第四部分将从理论解释和模拟研究两个方面对声子晶体进行深入探究，包括声子晶体理论模型的介绍、模拟方法及结果讨论以及对实验结果的解释和提出新问题。

最后一部分是结论与展望，总结了本文的研究成果，并为未来进一步研究方向提供了建议。

1.3 目的本文旨在系统地概述和解释二维三角晶格声子晶体的形成过程、结构特点以及在相关领域中的应用。

通过实验方法与理论模拟相结合的方式，验证和解释二维三角晶格中声子晶体的性质和行为。

同时，希望能够为该领域今后更深入的研究提供一定的参考和方向。

2. 二维三角晶格声子晶体2.1 声子晶体概念解释声子晶体是指由周期性排列的、固定间距的原子或分子组成的结构，其声子频谱存在带隙。

在这种结构中，声波的传播受到玻尔兹曼方程的限制，只能在特定频段内传播。

这一奇特的性质使得声子晶体具有很好的声学控制和效应，因此广泛应用于超材料、光学器件和声学器件等领域。

2.2 二维三角晶格结构二维三角晶格是指以三角形为基本单元组成的平面结构。

在该结构中，每个原子或分子与周围六个相邻原子或分子连接，并沿着规律排列形成整个平面。

这种结构在材料科学中被广泛研究和应用，在制备纳米材料、表面增强拉曼散射等领域都有重要意义。

声子晶体概述XXX院（系）：理学院专业：应用化学学号：********** 指导教师：韩喜江2013年3月题目声子晶体专业应用化学学号*********X 学生XXX指导教师韩喜江摘要声子晶体就是弹性常数在空间呈周期性排列的人工晶体。

声子晶体是由弹性固体周期排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能材料。

通过类比光子晶体，人们发现弹性波在周期弹性复合介质中传播时，也会产生类似于光子带隙的弹性波带隙，从而提出了声子晶体的概念。

由于声子晶体具有禁带、缺陷态等特性使得它在减振、降噪、声学器件等方面有着潜在的应用前景。

关键词：声子；声子晶体；减振；降噪。

一、声子概念的提出◆1883年，Floquet关于一维Mathieus方程的研究，首次考虑了周期结构中波的传播。

◆1887年，Rayleigh率先研究了连续周期结构中波的传播特性，指出结构中存在无波传播的频带。

◆1953年，Brillouin对波在周期介质中的传播特性进行了系统深入的研究。

◆1992年，M.MSigalas,E.N.Econnmou首次从理论上证实了三维周期点阵结构中弹性波带隙的存在性。

◆1993年，M.S.Kushwaha研究二维周期介质时首次明确提出声子晶体的概念。

◆2000年9月，Science刊登了刘正猷提出的声子晶体的局域共振带隙机理。

二、声子晶体的特性由于声子晶体具有弹性波带隙，它具有这样的性质：、减缓波速效应、声聚焦、弹性波定向、超准直、沿缺陷传播、声吸收、等效的负刚度、负密度、负折射率、和光子的相互作用、声致热导率减小、反常多普勒效应等特性。

因此声子晶体多用于减振、降噪、声学器件方面。

声子晶体和我们平时接触的晶体是不一样的，声子晶体是多种弹性介电材料组成的周期性结构，研究对象是弹性波在晶体中的传播，波动是一种弹性波（电磁波），声子晶体的晶格是0.1到1um，它的特征是弹性波（光子）带隙和缺陷表面态；而平时我们接触的晶体多为电子晶体，是一种结晶体，其研究对象是其电子的运输行为，波动为德布罗意波，晶格为0.1到0.5nm，其特征是电子带隙、缺陷态和表面态。

声子晶体在建筑中的应用我站在城市繁华的街角，周围是车水马龙的喧嚣。

看着那些高耸入云的大楼，不禁想起我的朋友小李，他是个建筑设计师，最近正为一个新的建筑项目愁眉不展呢。

那天我去他的办公室找他，一进门就看到他坐在堆满图纸的办公桌前，头发乱得像个鸟窝。

“嘿，兄弟，怎么这幅模样啊？”我打趣地问。

他抬起头，眼睛里满是疲惫，叹了口气说：“你不知道啊，这个新建筑要建在交通要道旁边，噪音问题简直就是个大麻烦。

如果解决不好，住在里面的人可就有得受了，我这脑袋都快想破了。

”我在他对面坐下，随手翻看着那些设计草图，突然想到之前在杂志上看到的一个概念——声子晶体。

我对小李说：“你有没有听说过声子晶体啊？说不定这个能帮到你呢。

”小李一脸疑惑地看着我：“声子晶体？那是什么新鲜玩意儿？听起来像是什么高科技魔法道具一样。

”我笑着解释道：“哈虽然不是魔法道具，但也很神奇哦。

你可以把声子晶体想象成一群训练有素的小卫士，专门对付声音这个调皮的小怪兽。

声子晶体呢，其实就是一种人工合成的材料结构，它有着特殊的周期性排列。

就好比是士兵们排着整齐的队列，这种特殊的排列能够控制声音的传播。

”小李眼睛里开始闪烁出好奇的光芒，身体也不自觉地向前倾，急切地说：“快给我讲讲，这到底是怎么个控制法呢？”我清了清嗓子，继续说道：“你看啊，当声音这个小怪兽想要穿过声子晶体的时候，就像一个小贼想要闯进一座防守严密的城堡。

声子晶体的特殊结构就像是城堡里各种各样的防御机关。

它能够让声音在里面拐来拐去，有的声音被反射回去了，就像小贼被拒之门外；有的声音呢，在里面不断地消耗能量，最后变得很微弱，就像小贼被陷阱困住，没了力气。

”小李若有所思地点点头，兴奋地说：“这听起来真不错啊。

那它会不会很贵啊？如果成本太高的话，开发商可不一定会接受呢。

”我拍了拍他的肩膀说：“这就是它的妙处之一啦。

其实，声子晶体的制作材料不一定都是那些昂贵的稀有材料。

有些常见的材料，只要按照特殊的结构组合起来，就能成为声子晶体。

本科生设计（论文）论文题目：声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析姓名：学院：海洋港口学院专业：12机械制造及其自动化（港口）（师范）学号：***师：***声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析一、绪论1.1课题背景现代社会对噪声防治和处理的各种要求，促进了当代噪声控制工程技术的迅猛发展。

工程中对噪声进行处理最常用而有效的技术措施就是安装适当的隔声材料。

因此，对隔声材料进行开发研究具有十分重要的意义。

声子晶体是一种新型隔声材料，存在弹性波禁带，落在禁带范围内的弹性波在声子晶体中传播时会强烈的衰减，其衰减程度远远大于质量密度定理的预测值。

因此声子晶体在噪声与振动的控制方面有着巨大的潜力。

本文以声子晶体在中低频隔声的实际应用为切入点，针对布拉格散（Bragg）射型声子晶体和局域共振声子晶体，系统地研究其禁带的产生以及影响禁带特性的各种因素，通过有限元仿真与实验验证完成声子晶体在隔声功能上的应用尝试。

声子晶体复合材料的自身特性决定了其带隙影响因素的多样性，因此有必要对其带隙的影响因素进行全面的研究分析，通过对各个参数对带隙的影响情况的分析来判断声子晶体在中低频范围内隔声应用的可行性，为下一步的仿真计算和实验验证中声子晶体各参数的选择提供理论依据。

传统的隔声材料种类繁多，从定义上讲所有的对声波有阻隔作用的材料都可以称为隔声材料，实际的隔声工程实施中经常采用的隔声材料有各种金属板、石膏板、木板以及复合板材。

由于它们大多都属于均匀介质结构，其隔声量都遵循质量密度定理，即材料的隔声性能与面密度有关，面密度增加一倍隔声量将会增大 6 分贝。

因此要获得较好的隔声效果就必须要增加隔声材料的密度。

然而在实际的应用当中，增加隔声材料密度会带来施工成本以及施工难度的急剧增大，这也限制了传统隔声材料的应用范围。

因此工程应用当中对新型轻质隔声材料的需求非常迫切。

声子晶体材料是近几十年研究状况非常热门的一种新型功能性隔声材料，其本质是一种对弹性波传播存在禁带的、结构排列或材料选择具有周期性特点的复合材料，其概念的提出只有二十多年的历史，命名借鉴了光子晶体的命名方式。

21世纪最具潜力的新型带隙材料 声子晶体塔金星半导体发展中遇到的极大障碍,使许多研究人员开始研究光子晶体。

然而,声子晶体比光子晶体具有更丰富的物理内涵,它是一种新型声学功能带隙材料。

研究声子晶体的重要意义在于其广阔的应用前景,而且在研究过程中,还可能发现新现象和新规律,进而促进物理学的发展。

一、什么是声子晶体声子晶体的概念诞生于20世纪90年代,是仿照光子晶体的概念而命名的。

我们都知道,具有光子禁带的周期性电介质结构功能材料称为光子晶体,光子能量落在光子禁带中的光波将被禁止,不能在光子晶体中传播。

通过对光子晶体周期结构及其缺陷进行设计,可以人为地调控光子的流动。

与之类似,具有声子禁带的周期性弹性介质结构的功能材料,称为声子晶体。

在声子晶体内部,材料组分(或称为组元)的弹性常数、质量密度等参数呈周期性变化。

随着材料组分填充比、周期结构形式及尺寸的不同,声子晶体的弹性波禁带特性也不同。

禁带的产生主要取决于各个单散射体本身的结构与弹性波的相互作用。

一般说来,非网络型晶格结构形式比网络型晶格结构形式更易于产生禁带。

复合结构中组分的弹性常数差异越大,越易于产生禁带。

在特定频率弹性波的激励下,单个散射体产生共振,并与入射波相互作用,使其不能继续传播。

声子晶体具有理想的周期性结构,对这种理想周期性结构的破坏一般称之为缺陷。

缺陷按其维数可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

当声子晶体中存在某种缺陷时,在其带隙范围内会产生所谓的缺陷态,缺陷态对声子晶体的禁带特性有着重大影响,因此对声子晶体缺陷态特性的研究具有重大意义。

利用点缺陷,可以把声波俘获在某一特定位置,使其无法向外传播,这相当于微腔。

在声子晶体中引入某种线缺陷(如L型线缺陷),可以使处于禁带频率范围内的声波沿该通道进行传播,即所谓声波导。

当弹性波频率落在声子禁带范围内时,弹性波将被禁止传播。

通过对声子晶体周期结构及其缺陷的人工设计,可以人为调控弹性波的流动(如图1)。