手征声子晶体带隙调控和旋声性研究

This project focuses both theoretically and experimentally on investigating the characteristics of propagation of elastic waves or acoustic waves in the chiral phononic crystals. The main contents will mainly emphasize on the following aspects: to study on the band structures, defect states and acoustic activity for the chiral phononic crystals when the wave propagating in the simple chiral structures periodic systems; to further researches on the polarized band gaps in the complicating phononic crystals which caused by the various chiral structures, lattice topology structures, filling fraction and materials parameters and reveals the its mechanism; to considers the new physical effects of acoustic activity and explores the nonreciprocal propagation of elastic waves or acoustic waves and the negative refraction of band-edge states of polarized band gaps. Then, the band structures of chiral phononic crystals with the defect forms will be studied both theoretically and numerically and discussed on the different defects. This project will include experimental study on chiral periodic systems in the light of according to the above theoretical calculations, analyze the new physical phenomena. This reseach will be relevant to the design new chiral devices in the engineering fields, such as the filters, acoustic switches, splitters, superlens and control noise materials and so on.

本项目主要从理论和实验研究弹性波和声波在手征声子晶体中传播基本特性问题。内容包括：首先研究较简单手征声子晶体能带结构、缺陷态和旋声性等； 在此基础之上，研究本征手征体几何结构、点阵拓扑结构、填充率和材料参数对极化带隙的影响，揭示带隙调控机理；开展"旋声性"带来的新物理效应研究，探索弹性波和声波非对易传输问题和极化带隙带边态负折射新效应；进一步针对缺陷手征声子晶体极化带隙、数值仿真和本征模态进行研究，分析缺陷形式和频带结构关系；结合上述理论研究与分析，开展相关手征声子晶体实验研究工作。该项目研究为这种新型功能材料走向工程应用奠定基础，如设计具有手征性的滤波器、声开关、分离器、超透镜和降噪材料等。

本项目主要从理论和实验研究了手征声子晶体的弹性波（或声波）的波动特性。内容包括：利用有限元法很方便数值计算复杂散射体固/固、固/液（气）、液/固体系声子晶体的声学特性表征参数，包括能带结构、缺陷态和等频线等；实验测试声子晶体的实验结果和理论计算结果很好吻合，结果表明：有限元方法可容易、有效和准确计算声子晶体的声学表征参数。. 然后，使用有限元法研究了二维（三维）手征声子晶体弹性波（或声波）的波动特性，分析了手性散射体几何参数对带隙的影响；结合带边的模态，发展近似等效的弹簧-质量模型，解释带隙产生机理，并预测带隙的边界值；还进一步研究了晶格点阵结构可以调带隙频率范围，计算结果说明：复式晶格可以降低晶体结构对称性，打开更多带隙。. 由于手征声子晶体散射体的复杂几何参数，这为设计多种形式缺陷提供新的方法；数值计算结果表明，手性散射体的缺陷既可以在带隙频率范围产生波导，又能够扩大带隙宽度；制备简单散射体的复式晶格声子晶体，实验测试结果显示其可以打开两个频带带隙，并产生声波局域化和折线形波动，这为设计新型波导器件有重要参考意义。. 研究弹性波（或声波）在手征声子晶体中传播，可能会产生新颖的物理现象；对希腊十字孔声子晶体研究，数值计算结果显示弹性主要沿多个方向定向传输；利用希腊十字钢/水声子晶体组建平板透镜，可以实现声波聚焦，达到亚波长成像。考虑复式晶格声子晶格存在多个带隙，有限元理论数值计算和实验测试结果比较说明，该晶体从低频到高频均存在多个带隙。进一步数值计算和实验测试表明：十字孔、U形孔声子晶体打开多个低频带隙。. 因此，本项目研究为这种周期结构功能材料走向工程应用奠定基础，如设计具有滤波器、超透镜和降噪材料等。