应用声子晶体梁缺陷态的能量采集研究

摘要

声子晶体是一种具有弹性波或声波带隙的周期性结构。声子晶体的带隙特性表明，带隙频率范围内对应的弹性波或声波在周期性结构中传播会受到抑制。当完美型声子晶体的周期性遭到破坏时，原有的带隙内就有可能出现缺陷态。缺陷态对应的弹性波或声波会在声子晶体的点缺陷处局域化或沿着线缺陷方向定向传播。目前，非完美型声子晶体的相关研究工作主要集中在理论研究，实验研究工作相对较少。本文理论研究了声子晶体梁的能带结构，并对其传输特性进行了实验验证，最后应用缺陷态特性来采集梁结构中的弯曲波能量。全文主要研究工作如下:
　　(1)本文应用了比Euler-Bernoulli梁更精确的Timoshenko梁TMM理论来计算声子晶体梁的能带结构。通过超晶格模型得到缺陷态，我们发现了带隙中的缺陷态并不是凭空产生的，而是由其它频散曲线平移得到的。探讨了梁的材料长度、缺陷材料的高度和缺陷材料的杨氏模量对缺陷态的影响，发现不同的物理参数会使得缺陷态是由不同的频带平移产生的。其中声子晶体带隙及缺陷态位置受到晶格常数的影响尤为敏感。
　　(2)本文首次应用布拉格光纤光栅(FBG)位移传感技术实验研究了声子晶体梁的传输曲线，并重点实验研究了缺陷态对弯曲波群速度的影响。应用Hanning窗口调制第一缺陷态频率附近的21步激励信号波（频率范围介于300Hz到900Hz）进行瞬态特性实验。光纤光栅瞬态测量实验和有限元(FEM)仿真的弯曲波群速度分布图可以清楚地说明声子晶体梁缺陷态对应的弯曲波有较慢的群速度。本文通过缺陷态频率下不同时刻对应的声子晶体梁位移瞬态振型指出了缺陷态对应的弯曲波传播行为是驻波模式。
　　(3)本文充分利用点缺陷对弯曲波局域化的特点和能量采集器靠近振动源布置的双重效果，设计了可进行高效率能量采集的含点缺陷的声子晶体梁结构。我们利用压电薄膜(PVDF)采集到的第一缺陷态(615Hz)和第二缺陷态(2688Hz)的最大输出功率分别为54.4nW和777.5nW，该结果远大于传输曲线中其它一般通带共振频率下的输出功率。此外，本文建立了压电采集理论来预测含点缺陷声子晶体梁的输出电压和输出功率，其理论预测与实验结果匹配较好。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 声子晶体研究现状

1．2．1 声子晶体的基本概念与主要特性

1．2．2 声子晶体的带隙机理与研究方法

1．2．3 声子晶体的缺陷态特性

1．3 缺陷态能量采集研究现状

1．3．1 能量采集的基本概念

1．3．2 应用缺陷态特性的能量采集

1．4 本文研究目的与内容

1．4．1 本文的研究目的

1．4．2 本文的研究内容

2．1 引言

2．2 TMM理论

2．2．1 Timoshenko粱的TMM

2．2．2 引入超晶格的TMM

2．3 含缺陷声子晶体粱的带隙特性

2．3．1 能带结构

2．3．2 结构参数和材料参数对缺陷态的影响

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 光纤光栅传感系统

3．2．1 光纤光栅传感原理

3．2．2 光纤光栅的实验架设

3．3 缺陷态的稳态传输特性

3．4 缺陷态的瞬态传播特性

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 能量采集理论及模型

4．2．1 能量采集的基本理论

4．2．2 缺陷态采集模型的设计

4．3 缺陷态能量采集的实验研究

4．3．1 能量采集的实验架设

4．3．2 缺陷态能量采集的实验结果与讨论

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简介