纳米层状有序结构中弹性波的传播特性研究

This project will mainly focus both theoretically and experimentally on the investigation of the elastic waves propagation in the nano-layered ordered structures. The anti-plane and in-plane waves will be considered. The main contents include：study on the wave propagation characters, band structures, wave localization and the sound focusing phenomenon when the wave propagating in the nano-layered periodic systems; researches on the wave propagation in the nano-layerd disordered systems which caused by the errors of manufactures or material defaults and in the nano-layered ordered systems which have different substitution rules like the Fibonacci and Thue-Morse sequences. Considering the influence of material combinations and structural geometry（expecially the symmetries)on the wave propagation characters.Sstudy on some basic problems of wave propagation in the above nano-layered ofdered systems, including the localization and sound focusing phenomenon; some basic problems of wave propagation in the nano-layered systems which have defects and the Lamb wave propagation in the nano-layered ordered plate will be studied furtherly. This project will include experimental study on nano-layered periodic systems according to the above theoretical analyses,developing the measurement method and technique for the wave propagating in the nano-layered system. This reseach will be relevant to the design and manufacture of this new acoustics functional devices.

本项目的研究将主要集中于从理论和实验方面来考察弹性波在纳米层状有序结构中传播时若干基本的波动特性，将同时考虑单一模态的反平面波和耦合模态的平面波传播。主要内容包括：首先针对较简单的层状纳米周期结构，研究弹性波在其中传播时的波动传播特性、频带结构、局部化及声聚焦问题；在此基础上，研究由于制造误差或材料本身缺陷而形成的具有微小失谐的纳米层状结构和具有Fibonacci或Thue-Morse等排列的纳米层状有序结构，考察材料组合和结构几何拓扑对弹性波传播的影响。研究弹性波在上述纳米层状有序结构中的传播、局部化及声聚焦等问题；进一步讨论弹性波在具有缺陷的纳米层状有序结构和Lamb波在有序板中的传播问题；结合上述理论分析，开展有关纳米层状有序结构的试验研究探索波在其中传播的测量方法和技术。该项目的研究为这种新型的功能材料和结构走向工程应用提供理论基础。

层状有序结构是指不同材料以一定的排列序列而形成的一种复合结构，包括层状周期结构和一些具有特殊替换规律的结构，比如准周期结构或者具有缺陷的周期结构。实际上层状有序结构也被称为一维声子晶体，声子晶体概念的提出及其带隙特性在声检波器、滤波器、波导、传感器等方面的广泛应用，使得其带隙特性受到更多研究工作者的重视。通讯和医药工程等领域的快速发展要求声学器件的尺寸必须越来越小，纳米级声学器件或声子晶体应运而生。众所周知，当一个体系的尺寸在几个纳米尺度范围内时，必须要考虑尺度效应的影响。力学性能的尺度效应是纳米结构应用中最重要的问题之一，而基于经典连续介质理论的力学模型已经不能准确地解释这些现象。本申请项目主要进行了以下研究：1.基于非局部理论和传递矩阵法研究了弹性波在一维纳米声子晶体中的传播问题，利用局部化因子和频散曲线表征了结构的频带特性，同时讨论了反平面波和面内波的情形；2. 研究了弹性波在一维纳米近周期声子晶体中的传播问题，近周期主要包括具有Fibonacci排列的准周期结构、随机失谐结构和具有缺陷的结构；3. 基于压电非局部理论研究了波在一维压电纳米声子晶体中的传播问题，讨论了反平面波和面内波的情形。同时利用该理论研究了Lamb波在一维压电纳米声子晶体中的传播；4. 利用有限元软件计算分析了Lamb波在一维和二维近周期声子晶体板中的频带特性，针对一维情形还进行了实验研究；5. 针对热波在层状周期结构中传播时的频带特性进行了初步探索。该项目的研究为纳米层状有序结构这种新型的功能材料和结构走向工程应用提供了一定的理论基础。