基于声子晶体板的声辐射力研究及温敏传感器设计

• 作 者: 陆水芳
• 机 构: 广东工业大学
• 出 处: 广东工业大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 板状声子晶体 温敏传感器 声辐射力 栅板结构 泄露波模式

声子晶体概念自提出以来就引起了学者的浓厚兴趣与广泛关注。早期，人们对声子晶体的带隙结构进行了大量的研究、推动了声子晶体能带理论的发展。在该能带理论指导下，声子晶体中许多新颖的、奇异的、有趣的声学现象被发现，如狄拉克点、Schoch效应、负折射、声聚焦和自准直等等，它们的研究将为声隐身器件、平面透镜、声波分束器和声能俘获器的设计提供理论支持，实现了物对声的人工操控。随着器件微型化的推进，板状声子晶体成为了研究的热点。兰姆波是一种具有丰富物理内涵的板波，在板状声子晶体中传播的兰姆波模式多样。因此，板状声子晶体具有一些与众不同的声学特性。近年来，学者利用板状声子晶体诱导产生的声辐射力设计了声筛子，实现了声对物的控制。本文在此基础上，对双栅板结构声子晶体的声辐射力展开研究，同时利用栅板结构激发的泄露波模式对声波温敏传感进行可行性设计，主要的研究内容及结果如下：　　本论文首先简要介绍了声子晶体的相关性质、兰姆波与泄露波的概念和板状声子晶体的研究现状。　　其次，我们详细介绍声辐射力的性质、形成机制、研究现状和计算方法。　　然后，在板状声子晶体中的兰姆波和泄露波的理论指导下，我们提出了两种倾斜的双板声栅结构，分别命名为对称型斜栅和反对称型斜栅。相对于传统的垂直声栅而言，这类声栅不但可以产生两对双胞胎声辐射力，并且对每一个声辐射力都有不同程度的增强作用，其中对称型斜栅有利于增强双板之间的吸引力，而反对称型斜栅有利于增强双板之间的排斥力。由此，我们深入研究了声栅对称性对声辐射力的影响。研究表明无论是哪一种对称性的倾斜声栅对声辐射力都有增强的作用，因为激发出来的泄露兰姆波与入射声波发生了强耦合现象。这类声栅将会被用于微弱信号传感器的设计。　　最后，在双栅板的声学性质研究推动下，我们设计了一款材料不对称的栅板型温敏传感器，其中检测板为具有温度效应的钛酸锶钡，基板为钢。在不同温度下，我们测量栅板共振频率，利用共振频率值来监控外界温度。这些共振频率来自于栅板中兰姆波被释放出去而形成一个泄露波，导致了声波在栅板中传播具有高透性。接着，我们对此类栅板型传感器的材料选择和结构参数选择开展了研究。研究发现：在保证材料密度不随温度变化的条件下，横波波速随温度的变化趋势与纵波波速随温度变化的趋势相同时的材料更适合用于检测板。当检测板与基板的结构参数相当时，栅板传感器的测量效果更理想。