聲子晶體

前言

具有彈性波帶隙特性的周期性復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)稱(chēng)為聲子晶體。聲子晶體作為一種新型的人工結(jié)構(gòu)功能材料，其概念的提出尚不足20年。聲子晶體的基本特征為：帶隙頻率范圍的彈性波在聲子晶體中傳播時(shí)會(huì)被抑制，而其他頻率范圍（通帶）的彈性波將在色散關(guān)系的作用下無(wú)損耗地傳播；當(dāng)聲子晶體存在缺陷時(shí)，帶隙頻率范圍內(nèi)的彈性波將被局域在缺陷處，或沿缺陷傳播。因此，聲子晶體可用于控制彈性波的傳播。近年來(lái)，聲子晶體的研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。在這一背景下，作者將課題組自2000年以來(lái)在聲子晶體領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行整理，選擇較為成熟的理論和重要的成果，同時(shí)兼顧國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展?fàn)顩r，以作為科研參考之用，算是作者對(duì)同行的一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

內(nèi)容概要

本書(shū)系統(tǒng)介紹了聲子晶體基本概念和理論基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及作者取得的最新研究成果，詳細(xì)論述了聲子晶體帶隙計(jì)算方法、帶隙形成機(jī)理以及典型聲子晶體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)帶隙特性。    本書(shū)可供從事聲子晶體理論以及振動(dòng)與噪聲控制領(lǐng)域的相關(guān)科技人員、高年級(jí)本科生以及研究生閱讀。

書(shū)籍目錄

第1章　概論  1.1　聲子晶體簡(jiǎn)介    1.1.1  聲子晶體概念及基本特征    1.1.2　聲子晶體的分類(lèi)    1.1.3  聲子晶體的研究簡(jiǎn)史  1.2　聲子晶體帶隙計(jì)算方法介紹  1.3　聲子晶體帶隙機(jī)理及帶隙特性    1.3.1　Bragg散射機(jī)理及特性    1.3.2　局域共振機(jī)理及特性  1.4　聲子晶體的其他特性    1.4.1  聲子晶體的缺陷態(tài)特性    1.4.2  負(fù)折射與聲聚焦特性    1.4.3　彈性波的定向傳播特性    1.4.4　聲吸收特性  1.5　聲子晶體應(yīng)用探索第2章　聲子晶體的理論基礎(chǔ)  2.1　彈性動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)    2.1.1  應(yīng)力與應(yīng)變    2.1.2　彈性動(dòng)力學(xué)基本方程    2.1.3　彈性波  2.2　晶格與能帶理論    2.2.1  晶格    2.2.2　Bloch定理    2.2.3  能帶結(jié)構(gòu)  2.3　聲子晶體的研究方法    2.3.1  理想聲子晶體的理論模型    2.3.2　聲子晶體帶隙特性的描述方法  第3章　聲子晶體帶隙特性計(jì)算方法  3.1　傳遞矩陣法    3.1.1　傳遞矩陣推導(dǎo)    3.1.2　能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算    3.1.3　有限周期結(jié)構(gòu)的傳輸特性計(jì)算    3.2　平面波展開(kāi)法    3.2.1  平面波展開(kāi)法的基本理論    3.2.2　平面波展開(kāi)法收斂性的改進(jìn)  3.3　時(shí)域有限差分法    3.3.1  時(shí)域有限差分法概述    3.3.2　解彈性波方程的時(shí)域有限差分算法    3.3.3  用時(shí)域有限差分法計(jì)算有限周期聲子晶體的傳輸特性    3.3.4  用時(shí)域有限差分法計(jì)算聲子晶體的能帶結(jié)構(gòu)  3.4　多散射理論    3.4.1  多散射方法的基本思想    3.4.2　二維圓柱散射體聲子晶體的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算    3.4.3  三維球狀散射體聲子晶體的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算    3.4.4　層多散射法計(jì)算有限周期結(jié)構(gòu)的傳輸特性  3.5　集中質(zhì)量法    3.5.1  一維聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算的集中質(zhì)量法    3.5.2　二維聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算的集中質(zhì)量法    3.5.3  三維聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算的集中質(zhì)量法    3.5.4　集中質(zhì)量法與其他算法的比較第4章　聲子晶體帶隙機(jī)理及其調(diào)節(jié)規(guī)律　　……第5章　一維典型聲子晶體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)帶隙特性第6章　二維典型聲子晶體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)帶隙特性附表　材料參數(shù)表參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 概論半導(dǎo)體中傳播的電子與周期分布的原子勢(shì)場(chǎng)的相互作用，形成電子帶隙（即電子能帶間的頻率范圍）。通過(guò)人為設(shè)計(jì)帶隙，能夠操縱電子的流動(dòng)。以硅晶體為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體技術(shù)給人類(lèi)帶來(lái)了一次科學(xué)技術(shù)革命，對(duì)人類(lèi)文明的進(jìn)步產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。近年來(lái)，在天然晶體中電子能帶理論的啟發(fā)下，人們對(duì)周期復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)中經(jīng)典波傳播進(jìn)行了深入研究。這些材料或結(jié)構(gòu)中，存在能夠禁止某種經(jīng)典波傳播的頻率范圍，這些頻率范圍稱(chēng)為帶隙。具有經(jīng)典波帶隙的周期復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)為波晶體（Wave Crystals）。對(duì)應(yīng)于不同的經(jīng)典波，波晶體分為光子晶體和聲子晶體。存在電磁波帶隙，介電常數(shù)周期分布的材料或結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為光子晶體（Photonic Crystals）；存在彈性波帶隙，彈性常數(shù)及密度周期分布的材料或結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為聲子晶體（Phononic CrystaIs.son—ic Crystals或Acoustic Crystals）。 1.1 聲子晶體簡(jiǎn)介1.1.1 聲子晶體概念及基本特征聲子晶體是類(lèi)比光子晶體的概念提出來(lái)的。1987年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的E.Yablonovitch和Prin6eton大學(xué)的S.John在討論如何抑制自發(fā)輻射和無(wú)序電介質(zhì)材料中的光子局域時(shí)，各自獨(dú)立提出了光子晶體這一新概念3。1990年，美國(guó)Iowa州立大學(xué)Ames實(shí)驗(yàn)室的研究人員K.M.Ho等通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了金剛石存在光子帶隙。

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《聲子晶體》是由國(guó)防工業(yè)出版社出版的。

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