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声自准直及双负声人工结构研究

【摘要】:过去几十年,人工周期性复合结构——声子晶体(Sonic Crystal)由于其对声波/弹性波的特殊操控,逐渐引起了大家的兴趣,利用声子晶体人们设计出了各种声波功能器件。随着声子晶体研究的不断深入,具有亚波长尺度的双负声超常材料因弹性波在其中传播时的特殊性质,也逐渐地成为研究热点。本文采用有限元软件进行数值模拟,设计了一种声自准直分束器和两种声超常结构。本文的具体工作有以下几个方面:首先,在第二章中,基于二维六方排列声子晶体的高对称性,设计实现了声自准直束的多角度(60°和120°)转弯。通过引入线缺陷,实现了自准直束60°和120°弯曲及分束。研究了60°弯曲声束和透射声束的能量分配同缺陷距离的关系,结果表明通过调节缺陷距离,可实现对弯曲声束和透射声束能量分配的调节。该结构为自准直束更多角度的弯曲分束和多功能声学材料的设计提供了一定的借鉴。随后在第三章中,通过在环氧树脂软板中周期性引入钢柱,利用这种结构的表面模集体共振激发,实现了负的有效质量密度响应。通过在空心钢柱周期性切缝构造亥姆赫兹共振腔结构实现了负的体模量响应。通过复合以上两种结构实现了质量密度和体模量同时为负的双负声超常材料。同现有的基于三维共振单元的双负材料相比,这种基于二维共振单元的双负超常材料结构更简单,从而易于制备。最后在第四章中,设计了一个二维的三组元共振结构来实现反常切模量。利用有限元法,分析了它的本征模式,通过该模型本征位移场,详细研究了该结构负切模量的形成与模型中各散射体相对运动之间的关系,发现该负切模量是由散射体和基体间相互作用造成的相对运动导致。随后通过调节模型的几何参数,我们发现能带图中形成了一类似狄拉克椎的色散曲线。并通过本征位移场对其进行了简单分析。通过对该模型的研究我们可以得到声波在固体中的一些有趣传播特性。

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