压电复合结构对弹性波的可调性研究及其应用设计

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人工合成材料/结构具有新的物理特性,受到了人们的重视。在声学领域,常见的人工结构有声子晶体和声超常材料。它们的弹性参数在空间上周期分布,通过不同材料的掺杂和混合比例设计,可以得到不同的声学特性。目前,人工智能逐渐成为时代的发展潮流。此时,人工声学结构的短板效应凸显——一经设计加工,声学特性/功能固定不可调,不具有“智能”性。为了弥补这一缺点,人们将压电材料引入人工结构。利用压电材料的压电效应,通过电路元件可以调控结构的声学特性。并且,电路方便拆卸,具有一定的智能可调性。本文研究了压电复合结构对弹性波的调控,并且利用这些可调性质,设计了一些可调的功能性器件/结构。首先研究了电路对一维、二维压电周期结构色散关系的影响;随后,基于二维压电周期结构(即二维压电声子晶体)设计了两种可调的功能性结构:可调复合波导管和可调滤波管。第二章:我们研究了外接电路对一、二维压电周期结构色散关系的影响。结果表明,外接电路可以使压电周期结构产生带隙,带隙的频宽(或产生带隙的频率)可以通过电路元件(电容/电感)的大小来调控。一维压电周期结构由压电杆接上复合电容(1C和2C)周期排列形成。通过调节1C和2C,可以分别得到两条不同频率的可调带隙,也可以同时得到这两条带隙。二维压电周期结构由压电柱周期排列在环氧树脂中形成,是标准的二维压电声子晶体。研究表明,在压电柱外接电感的情况下,声子晶体可以产生局域共振,形成局域共振带隙。并且该带隙的频宽和中心频率还会受到晶体填充率的影响。随着填充率的减小,带隙频率会逐渐降低(有一个最低值)。当填充率趋近零时,带隙宽度也会趋近零。基于该二维压电声子晶体,我们在接下来的几章设计了一些可调声学结构。第三章:基于特定填充率的二维压电声子晶体,我们设计了一种可调复合波导管。该波导管具有两个优势:1.通过改变电感值,波导管的工作频率在宽频范围内可调;2.通过改变电路的分布状态,可以任意设计波导管的形状。我们发现,当压电声子晶体未接外电路(或外电路处于开路)时,会在较高频区域出现一条宽频带隙。当接上外电路(或外电路处于闭合)后,通过调节电感的大小,可以在带隙中形成一条局域共振通带。基于压电声子晶体的这种特性,我们只给一排/列压电柱接上外电路,从而得到波导管。此时,波导管的工作频率也可以通过电感来调节。此外,波导管的形状也可以通过不同的电路状态(开路/闭合)来设计。该可调波导可能在声传感器和声信号处理方面具有潜在的应用价值。第四章:基于特定填充率的二维压电声子晶体,我们设计了一种全新的可调滤波管。该滤波管最大的优点——滤波频率在宽频范围内可调,并且滤波效果显著。该滤波管由压电声子晶体波导管(不可调)和可调点缺陷组成。给压电声子晶体局部接上外电路,可形成点缺陷。点缺陷是滤波管的核心元件,具有滤波和频率筛选的功能。滤波管的工作频率即是点缺陷的缺陷态频率,它可以通过外接电感的大小来调节。此外,我们还设计了具有多通道的可调滤波管,它可以将过滤波从不同的地方/路径输出。因此,可以作为波导管的开关器,以及波导转换/切换器,具有一定的应用前景。
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