聲子晶體
關(guān)注創(chuàng)建者：FEM小生 創(chuàng)建時間：2018-11-12
聲子晶體的實例教程
最近，類似的研究已經(jīng)擴展到彈性/聲波在稱為聲子晶體的周期性復(fù)合材料中的傳播。彈性波在周期性復(fù)合介質(zhì)（如聲子晶體）中的傳播是過去十年來許多研究者感興趣的研究對象。聲子晶體是由矩陣中二維或三維周期排列的內(nèi)含物產(chǎn)生的。聲子晶體可以表現(xiàn)出絕對帶隙，在這里彈性波在各個方向上的傳播是被禁止的。這些帶隙出現(xiàn)在一定的密度和彈性性質(zhì)、組成、排列幾何形狀和夾雜形狀的對比條件下。當聲子晶體的周期性被打破時，在聲帶隙內(nèi)可能會產(chǎn)生高度局域缺陷，類似于光子晶體中的局域模和半導(dǎo)體中的局域雜質(zhì)態(tài)。擴展的缺陷，如聲子晶格中不同的夾雜行已被證明在晶體帶隙內(nèi)引導(dǎo)彈性波。不同缺陷模式可以用來設(shè)計不同的功能材料。因此，對聲子晶體的研究具有重要的物理意義。
在COMSOL中，可以用固體力學(xué)或壓力聲學(xué)模塊仿真聲子晶體。
首先以一維聲子晶體為例：
如上圖，模型左右兩部分是不同的材料，并且在左右方向具有周期排列特征。
在物理場中設(shè)置周期性邊界條件：
在周期邊界上設(shè)置一致的網(wǎng)格點，以提高數(shù)值穩(wěn)定性：
仿真得到的一維聲子晶體能帶圖：
對于實際的準周期性模型，可以計算透射譜，以驗證聲子晶體能帶中存在的禁帶現(xiàn)象：
上圖可以明顯看到頻率對透射率的影響。特定的頻率下，聲波很難從一端傳播到另一端，就是對應(yīng)的能帶圖中所謂的禁帶。
對于二維、三維模型，需要根據(jù)對稱性，建立合適的周期性模型及添加合適的周期性邊界條件。
展開 圖1 隔振/震
但其實隔振系統(tǒng)還有更多的形式，比如下面這篇文章利用螺旋聲子晶體隔離船上電力系統(tǒng)的低頻振動，對于土木工程領(lǐng)域，也是不錯的啟發(fā)。下面給出摘要以及相應(yīng)的演示視頻。
2. Isolating low-frequency vibration from power systems on a ship using spiral phononic crystals | 利用螺旋聲子晶體隔離船上電力系統(tǒng)的低頻振動
摘要：局域共振聲子晶體（LRPC）在船舶和海洋工程中用于降低低頻噪聲和振動越來越受到人們的關(guān)注。本文采用ISO國際標準對“長京9號”垂直速度波幅譜進行了測量。針對艦船動力系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻機械振動，基于局域共振模式，設(shè)計并分析了單相螺旋形聲子晶體。對不同邊界條件和載荷下聲子晶體板的振動特性進行了數(shù)值模擬，并通過實驗驗證了三種聲子晶體的隔振能力。此外，還對安裝在鋼板上的隔振平臺進行了數(shù)值模擬和實驗研究。結(jié)果表明，螺旋聲子晶體通過方便地改變柱形結(jié)構(gòu)，對15～45Hz低頻段具有良好的適應(yīng)性。在船舶振動源和邊界復(fù)雜的情況下，LRPC在隔振保護電子設(shè)備和精密儀器方面有著潛在的應(yīng)用前景?？傊?，本文的工作是將LRPCs應(yīng)用于船舶振動與噪聲控制領(lǐng)域的一次積極探索。
參考文獻
1. Yr A , Xu L A , Xh B , et al. Isolating low-frequency vibration from power systems on a ship using spiral phononic crystals[J]. Ocean Engineering, 225.
3.
展開 聲子晶體是一種相當獨特的材料，它可設(shè)計出特殊的帶隙。隨著對此類材料需求的不斷提高，人們對聲子晶體仿真研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，針對帶隙的優(yōu)化是其中最熱門的課題。本文將為您展示如何使用 COMSOL Multiphysics 這一可靠工具進行此類研究。
聲子晶體是什么？
聲子晶體是一種人工制造的結(jié)構(gòu)或材料，可對其周期性結(jié)構(gòu)或幾何屬性進行設(shè)計，以此影響機械波的傳播特性。設(shè)計制造聲子晶體時，人們能夠在特定的頻率范圍內(nèi)隔離振動。特定頻率范圍內(nèi)，也稱為帶隙，帶隙內(nèi)的振動會因受到周期性結(jié)構(gòu)內(nèi)波干涉的影響而衰減。這一行為與一種更廣為人知的納米結(jié)構(gòu)相似，這一納米結(jié)構(gòu)便是半導(dǎo)體應(yīng)用中光子晶體。
優(yōu)化聲子晶體帶隙是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。我們 Veryst 工程公司的研究人員發(fā)現(xiàn) COMSOL Multiphysics 正是處理這類難題的寶貴工具。
建立聲子帶隙分析
要在周期性結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建帶隙，一種方法是使用由堅硬的內(nèi)核材料與柔軟的外部基體材料構(gòu)成的晶胞。其構(gòu)型如下圖所示。
晶胞示意圖。晶胞由堅硬的內(nèi)核材料與柔軟的外部基體材料構(gòu)成。
對聲子晶體的頻率響應(yīng)進行計算，僅僅需要對周期性晶胞進行分析，及利用覆蓋一定波矢范圍的布洛赫周期性邊界條件。相對較小范圍的波矢即可覆蓋所謂的不可約布里淵區(qū)（irreducible Brillouin zone，簡稱 IBZ）的邊緣。在二維矩形結(jié)構(gòu)中，IBZ（下圖所示）從 Γ 沿著 X、M 后回到 Γ。
二維正方形周期性結(jié)構(gòu)中的不可約布里淵區(qū)。
布洛赫邊界條件（一維時又稱 Floquet 周期性邊界條件）可約束周期性結(jié)構(gòu)的邊界位移，表達式如下：
其中 kF 表示波矢。源端和目標端分別在晶胞的左右邊緣和上下邊緣各應(yīng)用一次。此類型的邊界條件可在 COMSOL Multiphysics 中獲得。
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這里列出了求解各種晶格排列形式的聲子晶體帶隙時，元胞的第一布里淵區(qū)、不可約布里淵區(qū)及其對稱點。方便在掃描波矢k時使用。
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由于器件中產(chǎn)生熱量的寬度與氮化鎵的聲子平均自由程(MFPs)相當，因此存在聲子彈道輸運，并且可以顯著影響熱傳遞端口過程，這就需要深入了解氮化鎵晶體管中聲子彈道效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，隨著熱源尺寸的減小，與聲子MFP相當?shù)臒嵩闯叽绲膹椀佬?yīng)顯著增強，從而導(dǎo)致更高的熱點溫度。結(jié)果強調(diào)了多尺度模擬和高分辨率實驗對精確預(yù)測器件結(jié)溫的必要性。
由于雙層石墨烯的扭轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生類似于聲子晶體的第二周期，因此TBG的熱輸運性質(zhì)應(yīng)該與扭轉(zhuǎn)角有關(guān)。
雖然熱輸運在TBG已經(jīng)研究了一段時間，潛在的聲子輸運機制在不同的扭轉(zhuǎn)角度仍然不清楚。首先，已知的魔角約為1.08度。然而，目前研究熱輸運的實驗和模擬并沒有涵蓋這個角度，而是研究了從0度到30度的大角度步長。
馬磊［49］、孟浩［50］、張贛波［51］基于船舶推進軸系的縱向振動特性，分析了動力吸振器對軸系振動的影響；基于聲子晶體理論和主動控制理論，研究了船舶主推進軸系的縱振控制方法。張斌［52］和丁旭杰［53］分析了非線性隔振器和混合式隔振器的設(shè)計方法與應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計了相應(yīng)的原理性隔振器件并進行了試驗驗證。
通過分模塊詳解：掌握各種邊界條件和域條件的設(shè)置方法和技巧，區(qū)分每個邊界條件或 域條件應(yīng)該在什么場景中應(yīng)用；掌握網(wǎng)格劃分標準及優(yōu)化技巧，深入探索從模擬中獲得 的結(jié)果，對單聲換能器、聲表面波傳感器、聲學(xué)超材料、聲子晶體等的 設(shè)計進行優(yōu)化。 4.
本人正在從事基于局域共振聲子晶體理論的超材料混凝土研究，需要用到兩個軟件：comsol和lsdyna。希望有人能教會我用這兩個軟件。comsol主要是做超材料混凝土的能量帶隙計算，lsdyna主要是做超材料混凝土的抗沖擊抗爆性能研究。同時，也需要在聲子晶體、爆炸力學(xué)、動力學(xué)等理論方面得到一定指導(dǎo)。價格可談！
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帶有程序化重構(gòu)的微架構(gòu)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)帶隙工程，而大型幾何變換則為可調(diào)諧的聲子晶體和可自我部署的微型設(shè)備鋪平了道路。
總的來說，3D打印提供的靈活的形式因素使離子和電子傳輸軌跡得到了優(yōu)化，無論是否有交錯的電極結(jié)構(gòu)，以克服能量密度和功率密度之間的經(jīng)典權(quán)衡關(guān)系。三維打印還為具有顯著體積變化的材料提供了有希望的機械堅固的架構(gòu)設(shè)計，以及包括電池診斷和可重構(gòu)設(shè)備在內(nèi)的其他應(yīng)用。
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