應(yīng)用聲子晶體梁缺陷態(tài)的能量采集研究.pdf

1、聲子晶體是一種具有彈性波或聲波帶隙的周期性結(jié)構(gòu)。聲子晶體的帶隙特性表明，帶隙頻率范圍內(nèi)對應(yīng)的彈性波或聲波在周期性結(jié)構(gòu)中傳播會受到抑制。當(dāng)完美型聲子晶體的周期性遭到破壞時，原有的帶隙內(nèi)就有可能出現(xiàn)缺陷態(tài)。缺陷態(tài)對應(yīng)的彈性波或聲波會在聲子晶體的點缺陷處局域化或沿著線缺陷方向定向傳播。目前，非完美型聲子晶體的相關(guān)研究工作主要集中在理論研究，實驗研究工作相對較少。本文理論研究了聲子晶體梁的能帶結(jié)構(gòu)，并對其傳輸特性進行了實驗驗證，最后應(yīng)用缺陷態(tài)特

2、性來采集梁結(jié)構(gòu)中的彎曲波能量。全文主要研究工作如下:
　　(1)本文應(yīng)用了比Euler-Bernoulli梁更精確的Timoshenko梁TMM理論來計算聲子晶體梁的能帶結(jié)構(gòu)。通過超晶格模型得到缺陷態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)了帶隙中的缺陷態(tài)并不是憑空產(chǎn)生的，而是由其它頻散曲線平移得到的。探討了梁的材料長度、缺陷材料的高度和缺陷材料的楊氏模量對缺陷態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)不同的物理參數(shù)會使得缺陷態(tài)是由不同的頻帶平移產(chǎn)生的。其中聲子晶體帶隙及缺陷態(tài)位置受到晶

3、格常數(shù)的影響尤為敏感。
　　(2)本文首次應(yīng)用布拉格光纖光柵(FBG)位移傳感技術(shù)實驗研究了聲子晶體梁的傳輸曲線，并重點實驗研究了缺陷態(tài)對彎曲波群速度的影響。應(yīng)用Hanning窗口調(diào)制第一缺陷態(tài)頻率附近的21步激勵信號波（頻率范圍介于300Hz到900Hz）進行瞬態(tài)特性實驗。光纖光柵瞬態(tài)測量實驗和有限元(FEM)仿真的彎曲波群速度分布圖可以清楚地說明聲子晶體梁缺陷態(tài)對應(yīng)的彎曲波有較慢的群速度。本文通過缺陷態(tài)頻率下不同時刻對應(yīng)的聲子

4、晶體梁位移瞬態(tài)振型指出了缺陷態(tài)對應(yīng)的彎曲波傳播行為是駐波模式。
　　(3)本文充分利用點缺陷對彎曲波局域化的特點和能量采集器靠近振動源布置的雙重效果，設(shè)計了可進行高效率能量采集的含點缺陷的聲子晶體梁結(jié)構(gòu)。我們利用壓電薄膜(PVDF)采集到的第一缺陷態(tài)(615Hz)和第二缺陷態(tài)(2688Hz)的最大輸出功率分別為54.4nW和777.5nW，該結(jié)果遠大于傳輸曲線中其它一般通帶共振頻率下的輸出功率。此外，本文建立了壓電采集理論來預(yù)測含