周期複合壓電材料中電聲波傳輸特性研究

《周期複合壓電材料中電聲波傳輸特性研究》是依託北京科技大學，由魏培君擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：周期複合壓電材料中電聲波傳輸特性研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：魏培君
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目研究周期複合壓電材料中電聲波的傳播特性，如在界面的負折射率現象，缺陷誘導波局部化現象以及禁帶遂穿效應等。首先遵循電聲波傳播基本規律研究負折射率、波局部化和禁帶遂穿效應的產生機理和發生條件，然後基於平面波展開方法和多重散射方法建立數學模型對負折射率、波局部化以及禁帶遂穿效應這些特殊物理現象進行數值模擬並分析材料常數，晶格常數以及晶胞拓撲結構等的影響。材料的特殊物理現象可以解決特殊的工程問題因而得到實際工程套用。如負折射率現象在材料隱身設計上的套用；波局部化在波導結構設計上的套用。由於周期複合壓電材料中電聲波的特殊傳播特性在民用和軍事上有著潛在的套用前景，因而收到國際和國內物理、聲學、力學和材料等研究人員的共同關注而成為近年來的一個研究熱點。本項目的研究側重數學模型建立、分析物理機理和發生條件，並通過數值模擬分析材料參數等的影響，從而為進一步的工程套用提供理論依據。

結題摘要

對於1維壓電聲子晶體，我們主要採用了傳遞矩陣的方法來建立彈性波帶隙結構計算的數學模型。 針對有限厚度周期以及準周期的壓電及壓磁分層結構，研究了力學非完好邊界條件（包括位移間斷型和面力間斷型）；電學非完好邊界條件（包括介電高導型和低導型）；金屬化界面和超導界面等對應的非完好界麵條件。分析了各類邊界條件對反射/透射特性、帶隙特性、缺陷態等物理現象的影響，得到了定性的影響規律。如非完好界面可以誘導波的局部化，產生局域共振。從而使二組元體系也可以像三組元體系一樣形成局域共振結構。另外，還對梯度界面層進行了研究，包括壓電材料與非壓電材料之間的梯度界面層以及壓電材料與壓磁材料之間的梯度界面層，討論了各種梯度剖面對反射/透射特性的影響，發現梯度界面層對低頻帶隙影響不大，但對高頻帶隙具有明顯影響。這一發現，對帶隙材料的設計具有重要理論意義。對於2維和3維聲子晶體我們採用了多重散射方法來建立彈性波帶隙結構計算的數學模型。基體與散射體的界面性質對彈性波傳播及色散曲線的影響仍為研究重點。除了力學邊界條件、電學邊界條件，我們還對梯度界面層，包括圓柱散射體與基體之間的梯度界面層；圓球散射體與基體之間的梯度界面層進行了分析和計算。討論了梯度變化規律對彈性波反射/透射特性，帶隙特性，缺陷態及局部化的影響。當結構的周期性被破壞時，在缺陷附近將會出現波的局部化現象，對於這種缺陷態的研究我們採用了數值計算與實驗觀測並重的研究方法，現已對1維層狀聲子晶體存在各種形式的面缺陷進行了數值計算和系列超聲實驗。觀測了彈性波局部化和禁帶隧穿等物理現象，並結合數值模擬分析了這些物理現象產生條件和特點。此外，考慮到隨散射體尺度減小，材料尺寸效應逐漸顯現，高頻彈性波傳播特性的尺寸效應應給予關注，我們套用表面彈性理論，考慮散射體的表面效應，推導了散射體的非經典邊界條件，並進行了數值計算，分析了散射體表面效應對彈性波傳播的各種物理現象的影響。總之，對項目計畫研究內容我們都進行了研究，並取得階段性成果。