新型声学功能材料_声子晶体

材料科学与工程学报 2003

第21卷　第1期Vol121　No11

文章编号:10042793X(2003)0120153204

材　料　科　学　与　工　程　学　报JournalofMaterialsScience&Engineering

总第81期Feb.2003

新型声学功能材料———声子晶体

赵宏刚,韩小云,温激鸿,王　刚

(国防科技大学光子/声子晶体研究中心,湖南长沙　410073)

　　【摘　要】　声子晶体是近10年来提出的新概念、新声学功能材料。其在弹性波范围内的带隙结构的研究具

有极大的理论和应用价值。声子晶体的研究将会对固体物理学、材料科学、声学等产生深刻的影响,并为我们进行声波控制和振动控制提供全新的思路。本文主要对声子晶体的概念和基本特征、研究发展以及声子晶体的应用前景进行了重点论述。

【关键词】　声子晶体;带隙;局域态;声学滤波器中图分类号:O735,TB34　　　　文献标识码:A

NovelAcousticMaterials—PhononicCrystals

ZHAOHong2gang,HANXiao2yun,WENJi2hong,(PBGResearchCenter,NationalUniversityofDefenseT,Ch,【Abstract】　PhononiccrystalsarenovelconceptionandacousticThestudyofphononicbandgap

willnotonlygiverisetointerestingnewtheory,butalsoopenSuchphononiccrystalswillaffectthede2velopmentofSolidStatePhysics、Materialsnewwaysinvibrationandsoundcontrol.Inthispaper,theconcepts、basicfeatures、andcomingfutureaboutphononiccrystalsaremainlydiscussed.

【Key;bandgap;localizationstate;acousticalfiter

最近10年中,通过对大量的复合材料的理论和实验研

1　引　言

近年来,具有一定周期结构的复合材料的能带特性的研究越来越受到人们的关注[2～21],这是由于这种复合材料对经典波(包括光波、电磁波以及超声波和声波等)具有良好的带通和带阻特性,当复合材料的周期尺度与光波、电磁波波长在一个数量级时,由于布拉格散射,电磁波在此介质中传播时会形成能带结构,这种能带结构叫做光子能带(photonicband)。光子能带之间出现的带隙,称为光子带隙

(photonicbandgap,简称PBG),相应的材料体系称为光子晶

究,声子晶体已经取得很大的发展[6～12],根据声子晶体的带隙特性,可以看出该材料在工程中有着很好的应用前景。

2　声子晶体的概念和基本特征

声子晶体的概念是从光子晶体(photoniccrystal)的概念演绎而来的,两概念的相似之处在于都是模拟天然晶体原子排列方式,均具有某种周期拓展结构。所以,声子晶体就是具有声子带隙的周期性结构功能材料,它通过材料组分———散射体弹性常数的周期性调制来实现声子带隙。根据散射体不同的周期排列形式,声子晶体可以分为一维声子晶体、二维声子晶体和三维声子晶体,相应的散射体形态依次是层状板、柱体(圆柱或者棱柱[9])和球形(也可以是方体)等。当前,研究声子晶体的主要目的和意义有两点:

①丰富物理学。把各向异性介质中波的散射和局域现象在经典波中统一起来,表现为尽可能把光波段的一些性质在声波段复现出来

。

体(photoniccrystal),光子晶体带隙特性的研究已经取得很大发展并取得一些实际应用

[2～5]

;同样的道理,当这种周期

复合材料的周期尺度与声波或弹性波波长在一个数量级时,声波或者弹性波在该周期性弹性介质结构中传播时也

会形成能带结构,能带之间出现的带隙称为声子带隙(pho2

nonicbandgap),相应的这种复合材料称为声子晶体(phonon2iccrystal)。

收稿日期:2002208201;修订日期:2002209215基金项目:本课题属国家973资助项目.

),国防科大硕士,主要从事声子晶体的研究和带隙特性测试工作.作者简介:赵宏刚(1977—

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②发掘工程应用。利用声子晶体的带隙特性,声子晶体将会在声滤波器、声波导、声变送器以及震动控制、噪声

控制方面有着广泛的应用前景。

与光子晶体相类似,声子晶体的基本特征是:具有声子带隙,而处于禁带内的声波不能够在声子晶体内传播,典型的禁带特性如图1所示,图中阴影部分表示完全禁带,所谓完全禁带,就是指在禁带范围内,从各个方向入射的声波(弹性波)都不会通过声子晶体。当周期结构中存在点缺陷和线缺陷时,声波会被局域在点缺陷处,或只能沿线缺陷传播

。

工作,并取得了很大的发展。在国内,声子晶体的研究才刚刚起步。经过国内外近10年的研究,声子晶体在以下几个方面取得了很大的进展。3.1　在类比光子晶体的性质方面

在类比光子带隙的特性方面,由于声子晶体带隙特性有着更奇特的物理现象、更复杂的理论计算,所以各国学者对声子晶体声波带隙特性的研究是很活跃的。在大约十年的发展过程中,先是在某一方向上获得声波禁带,然后通过大量材料搭配的理论计算和实验验证,逐步获得完全禁带。如J.O.Vsseur等人[8],通过对由碳增强环氧树脂(碳柱体在环氧树脂中)的带隙计算,获得了比较宽的完全禁带;在获得完全禁带的基础上,M.S.Kushwaha等人采用与光子晶体相类似的方法,采用串联结构获得从2k211kHz的超宽禁带[10]。

除了在带隙特性的类比方面有所发展外,声子晶体在光波的其他一些重要性质的类比方面也获得很大发展。例如F.Cervera等人在声波段实现了声学聚焦[12]。SuxiaYang等人根据电磁波、(Tunneling)现象,]2,当电子受到无序分,电子的德布罗意波的波动方程的解会 …… 此处隐藏：5920字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……