聲子晶體型壓電換能器的設計原理和實驗研究

《聲子晶體型壓電換能器的設計原理和實驗研究》是依託南京大學，由鄒欣曄擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：聲子晶體型壓電換能器的設計原理和實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄒欣曄
• 依託單位：南京大學

項目摘要

聲子晶體作為一種新概念、新聲學功能材料，其在彈性波範圍內的禁帶結構和聲波局域性具有重要的理論和套用價值。通過對其結構和缺陷的設計，可人為調控彈性波的傳播。壓電型聲子晶體是由壓電材料嵌入聚合物基底構成的聲子晶體型複合材料，它集合了聲子晶體和壓電聚合物兩者的特性。壓電型聲子晶體的出現給壓電換能器的製作帶來了全新的振子結構和設計理念。由此產生的聲子晶體型壓電換能器在醫學診療和高清超聲成像等方面有著廣泛的套用前景。本項目以申請人近年有關壓電型聲子晶體的工作為基礎，運用聲子晶體的理論和研究方法來分析聲子晶體型壓電振子中聲傳播的特性和振動模式，並通過對壓電型聲子晶體結構和缺陷的設計，研究聲禁帶和聲波局域性對於換能器寄生振動模式的抑制作用。同時進行PZT+聚合物構成的聲子晶體型壓電振子樣品的設計、加工和測試工作。

結題摘要

本項目在研究過程中按照研究計畫逐步開展，從壓電複合結構中聲傳播的模式和能帶結構研究出發，開展了壓電複合材料、聲學人工複合結構等對聲傳播調控的理論和實驗研究,取得了一系列原創性成果。課題組目前已在國內外學術刊物（或會議上）發表了12篇文章，其中9篇發表在Physical Review Letters, Applied Physics Letter, Smart Materials & Structures等SCI期刊上。此外，還參與編寫了英文專著的相關章節。本項目達到了預期的研究目標。項目研究主要取得了以下幾方面的研究成果：1、壓電複合周期結構中面外波矢即可在低頻段使面內產生彈性波禁帶，從而達到抑制無效振動模式的目的。面外波矢還可控制特定彈性波模式在複合結構中的傳播。綜合利用填充率、晶格常數、面外波矢和不同電邊界條件，可達到提高相應複合結構換能器的工作效率，調控壓電複合結構中彈性波傳播，滿足實際工程套用所需頻寬和起始頻率的彈性波禁帶。2、反對稱式複合結構板可作為一個模式轉換器，用於蘭姆波對稱和反對稱模式間的轉換；對稱式複合結構板可作為一個模式選擇器，在特定頻段，只允許對稱或反對稱模式通過；兩種結構相結合可實現蘭姆波模式的單向傳播。進而又提出了一種基於聲子晶體結構的單向聲學波導模型。3、理論上提出一種新型的二維聲學人工複合結構，由常規的“雙正”參數媒質構成，可有效地將任意方向入射的聲波導引至中心區域。該理論模型簡單高效，具有極大的工作頻寬，與超吸收體相比優勢明顯，在噪聲控制等領域有著潛在的套用價值。4、提出了一種基於變換聲學的新的聲學隱身方法。設計的關鍵在於通過坐標變換在被隱身物體和與其相似形狀的背景媒質之間建立等效關係，並在被隱身物體外的空白區域填以單負材料的互補媒質。數值結果表明，被隱身物體能接受外界信號，卻不能被外界的信號所感應，而且用來探測和通訊的內部信號可以發射到斗篷外。