文献综述
- 研究目的和意义
人类社会工业革命的科技发展，使得噪声的发生范围越来越广，发生频率也越来越高，越来越多的地区暴露于严重的噪声污染之中，噪声正日益成为环境污染的一大公害。其危害主要表现在它对环境和人体健康方面的影响。
振动是产生噪声的根源，而振动本身也具有很大的危害。如人长期处于强的振动下，会造成机体的损伤，引起各种病症，而且振动还会损坏机械设备和建筑结构，甚至导致机体破裂、建筑结构倒塌等，所以降低振动亦或者消除振动是十分重要的。由此声子晶体的研究是必要的。
声子晶体是这20年来提出的新型声学功能材料，具有声子能带和带隙的特点，并且它有着奇特的调节声子传播状态特性。它是一种人工设计的周期性结构,特定频率内的弹性波在该结构中无相应的本征模式,因此在结构中无法传播。通过合理设计局域共振型声子晶体散射体的参数及布置形式,可以实现结构的低频宽带隔振及宽带隔声,在解决振动噪声领域中具有较好的应用前景。它的周期型结构的研究极大拓展了传统周期结构的研究范畴，为振动与声学特性控制提供了新的理论基础和技术途径。声子晶体板在特定频率范围内具有很好的隔振及隔声效果，将声子晶体板结构引入到建筑或其他结构及建筑隔振系统的设计中，通过对声子晶体的散射体几何参数及布局形式进行合理设计，可以实现结构的低频宽带隔振及宽带隔声。在隔振方面，基于声子晶体的带隙特性，可以为机械高精度加工提供一个无振的环境，保证加工精度的要求。在某种程度上防止精密机械因振动而造成的设备失灵，提高使用寿命。在隔声方面，可以制造出具有特定频率带隙特性的声子品体隔声材料，在噪声的传递过程中隔绝噪声,减少噪声所带来的危害。
2.国内外研究概况
对弹性波在层状介质中传播特性的研究已有近70年的历史,但声子晶体概念的提出及对声子晶体相关理论的研究却只有近10年的历史。由于理论研究的困难以及其它因素,使得声子晶体研究的进展比较缓慢,据不完全统计,至今与声子晶体相关的研究成果屈指可数。1992年, M. M. Sigalas和E. N. Economou第一次在理论上证实球形散射体埋入某一基体材料中形成三维周期性点阵结构具有弹性波禁带特性。1993 年, M. s. Kushwaha等人第一次明确提出了声子晶体( Phononie Crystals)概念,并对镍柱在铝合金基体中形成的复合介质采用平面波方法计算获得了在剪切极化方向上的弹性波禁带。1995 年, R. Martinez-Sala 等人在对西班牙马德里的一座200多年前制作的雕塑“流动的旋律”进行声学特性研究时,第一次从实验角度证实了弹性波禁带的存在。从此声子晶体的研究引起了极大关注。
声子晶体的研究工作主要集中在声子晶体禁带的形成及相应的理论计算上。此外,各国学者在声子晶体的缺陷态实验研究方面也取得了较好的进展,应用探索方面才刚刚起步。
在国内,武汉大学的刘正猷及广东工业大学的昊福根在声子晶体研究领域取得了一定的进展。樊宁波等制备了环氧树脂基体层包覆橡胶金属球的三维声子晶体，并通过实验对声子晶体的隔声量进行了测量。李硕通过隔声箱试验对两种类型的一维声子晶体的隔声量进行了测量,声子晶体在100-2000H的频率范围内,隔声量增加了5dB左右 。何晓栋进一步研究了声子品体品格常数对附加铜-橡复合柱的铝板隔声特性的影响，研究结果表明，为了获得相对较宽的隔声频率范围，需要选择合适的晶格常数。国防科技大学光子/声子晶体研究中心也正在从事声子晶体的研究，关于弹性波禁带形成的机理比较成熟的有两种,分别是布拉格散射机理和局域共振机理。布拉格散射是由固体物理学中关于晶体能带的理论中引出的，光子晶体即遵从布拉格散射机理。布拉格散射造成禁带的原因主要是:周期变化的材料特性与弹性波相互作用,使得某些频率的波在周期结构中没有对应的振动模式,也即不能传播,产生禁带。大量研究弹性波禁带形成的文献都着重讨论了布拉格散射机理,研究表明:弹性波禁带的产生与复合介质中组分的弹性常数、密度及声速有关.与组分的填充比有关:与晶格结构形式及尺寸有关。一般说来,非网络型晶格结构形式比网络型晶格结构形式易于产生禁带:复合介质中组分的弹性常数差异越大,越易于产生禁带。此外,布拉格散射形成的弹性波禁带对应的弹性波的波长一般与周期结构尺寸参数(即晶格尺寸或晶格常数)相当,这与光子晶体周期结构产生禁带的机理在概念上是一致的。布拉格散射机理对声子晶体在低频(尤其是在1kHz以下)的应用造成了一定的困难。刘正猷等人在研究用粘弹性软材料包覆后的铅球组成简单立方晶格结构埋在环氧树脂中形成的三维声子晶体时发现,该声子晶体禁带所对应的波长远远大于晶格的尺寸,突破了布拉格散射机理的限制,而且在散射体并非严格周期分布、甚至随机分布时,复合结构同样具有禁带,由此提出了弹性波禁带的局域共振机理。局域共振机理认为,在特定频率的弹性波激励下,单个散射体产生共振,并与入射波相互作用,使其不能继续传播。禁带的产生主要取决于各个单散射体本身的结构与弹性波的相互作用。因此,对于符合局部共振机理的声子晶体,禁带与单个散射体固有的振动特性密切相关,与散射体的周期性及晶格常数关系不大,这对于声子晶体在低频波段的应用开辟了广阔的道路。
3.本人研究内容
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