激光激发声表面波在周期结构中的传播特性研究

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声表面波是一种沿固体表面传播的弹性波。由于其能量主要集中在距离固体表面波长范围内,表面波对材料表面的性质和结构敏感,因此激光激发声表面波常用于对材料表面性质或缺陷进行检测。同时,与体声波的情况类似,周期结构中存在声表面波带隙,在带隙频率范围内禁止声表面波传播。通过在材料表面的周期结构中构造缺陷,可形成缺陷模式,使声表面波沿着缺陷传播或者局域在缺陷中。根据实际需要合理设计单元结构参数以及缺陷参数,可引导和调制声表面波,实现特定频带内声波的局域增强。本文基于周期结构能带理论和有限元计算,分析了一种T型堆叠的单元结构,研究了表面波在雕饰有这种单元结构阵列的材料表面的传播特性。比较了不同结构参数和材料参数对带隙宽度与位置的影响。同时通过时域计算得到所研究周期结构的透射谱,验证了能带计算结果的可靠性。数值结果表明,表面波会与堆叠结构强烈耦合形成局域共振带隙,能带位置和带隙宽度与结构特定参数间存在对应关系。在此基础上进一步研究了含缺陷周期结构中声表面波的传播特性,基于超元胞法的数值研究结果表明含缺陷周期结构中会出现缺陷模式。随着超元胞中周期数的增加,由于独立单元结构间的模式耦合,声表面波模式数也相应增加。更重要的是,在原来的禁带频率范围内形成了新的缺陷模式,声表面波可以沿着缺陷传播,也可局域在缺陷中,这为操控和引导声表面波提供了有效途径。实验上,搭建了全套光纤斐索干涉仪系统,并通过实验验证其检测的可靠性。利用脉冲激光激发声表面波,并用光纤斐索干涉仪进行表面位移检测。对信号进行采集与分析后得到声表面波波速,证明了所建实验系统和所测数据的可靠性,为研究具有缺陷周期结构中声表面波的传播特性奠定了实验基础。本文对含缺陷周期结构中声表面波传播特性的研究,可以为新型表面波器件设计以及激光激发声表面波的引导和操控提供一定的理论基础和参考。
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