一种新的减振降噪声学功能材料——声子晶体
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《 装备制造技术来自百度文库０ ０ ＞ １ 年第 １ ２ 期
一
种 新 的减 振 降噪 声 学 功 能材 料
温淑花， 学良， 张 王鹏 云 ， 晓光 文
（ 太原科技 大学 机电工程 学院 ， 山西 太原 ０ ０ ２ ） ３ ０ ４
尸 丁百 声 子晶体 目
摘
要： 介绍 了声子晶体 的基本 理论和 主要特征 、 究概 况及 其在振动与噪 声控制 方面广阔的工程技术 应用前景 ， 研 并对其 未来的研 究
分数 （ 充 比 ） 晶体 的拓扑结 构 （ 方形 、 填 、 正 三角 形 、 正六 边形 等 ）缺陷态（ 、 点缺 陷、 线缺陷、 面缺陷 ） 一般情况下 ， 。 各组分材
率 的光波在其 中的传播 ， 阻止 的光 波频率称 为“ 被 光子禁带 ”
（ｈｔｎ ａｄ ａ ） 由此 提 供 了一 种 独 一 无 二 的 制裁 光 和 电 ｐ ｏ ｉ ｂｎ ｇｐ 。 ｏｃ 磁 波 的方 式 【 声 波 与 光 波 在 波 动 性 上 具 有 共 性 之 处 ， 此 可 ｌ 】 。 因 以 推 断 由弹 性 材 料 （ 振 动 介 质 ） 成 的 周 期 性 结 构 ， 具 有 或 构 也
研究 ， 引起 了世界各国的高度关注。声子 晶体是一种 弹性常数
周期性分布 的复合结构 ， 是一种新型 的声学功能材料 ， 在振动
与 噪声 控 制方 面 ， 具有 广 阔的 工 程 技术 应 用 前 景 。 声 子 晶体 研 究 始 于 ２ 纪 ８ 代 初 期 ， 到 ２ 纪 ９ ０世 Ｏ年 直 ０世 ０
年代才有所突破 。１９ ９ ２年 Ｓｇｌ ｉ ａ ａ ｓ和 Ｅ ｏ ｏ ｏ ｃｎ ｍ ｕ首次理论研究
证实 ，球形散射体埋入某一 基体材料 中形成 的三维周期性点
阵结构 ， 具有 弹性波禁带特性ｔ １９ ｚ ９ ３年 Ｋ ｓｗ ｈ ］ 。 ｕｈ ａａ等首次提 出 了声子晶体的概念１ １９ ３ ９ ５年 Ｍａｔ ｅ— ａ １ 。 ｒｎ ｚＳｌ ｉ ａ等首次实验证 实了 弹性波禁带的存在 。
２１ 声 子 晶体 带 隙 的 产 生 机 理 ．
成 ， 中连续 的物理相 叫做 基体 ， 其 不连 续相称为分 散物 （ 或散 射体）】 【 ４ 。其内部 材料组分（ 或称为组元） 的弹性 常数 、 质量密度 等参数可 以有周期性的变化 ， 本质上属于复合材料范畴。 但与 光子 晶体相 比， 声子晶体所具有 的一大特点 ， 是其组成材料弹 性 常数可 以有 巨大差别四 依据声子晶体结构在笛卡尔坐标系 。 中 ３个 正交方 向上 的周期性 ， 以将其分为一维 、 可 二维和三维 声子 晶体 。 声子晶体结构材料 ， 在整体上是不均匀 的， 而每种组元 的 内部却是均匀 的。周期性 材料 表现出不同于其组元的物理性 质， 周期 性材料的组成或结构不 同， 其物理性质也不 同。随着
作 了展 望 。
关键词 ： 声子晶体 ； 隙； 带 减振降噪
中图 分 类 号 ： ２ ０４ ９ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ ０）１ ０ ４ － ４ １ ７— ４ Ｘ ２ １ ０— １ ３０
减振降噪理论在 国防军工 、 工业和民用技术等领域 ， 具有 重要地 位 ， 静音潜艇 的没计 、 是 飞机仪表 的隔振 、 微机 械高精 度加工 、 精密测量等高技术 的基础 。 光子 晶体 （ｈｔ ｉ ｃ ｓ １概念于 １８ ｐ ｏ ｎｃ ｒ ｔ ） ｏ ａ ｙ ９ ７年提 出 ， 它是一种 介电常数周期性 分布的电介质复合结构 ，可以阻止某一种频
料参数的 比率越大 ， 声子晶体带隙越容 易产 生 ， 即材料物理参
数的高 比率 ， 是产生带隙的重要条件［ ４ １ 。
声 子 晶 体 具有 如下 基 本 特 征 ［ ａ ｌ ：
阻止某些频率的弹性振动波传播的性能 。Ｓ ａ ｓ Ｅ ｏｏ ｏ ｉ ｌ 和 ｃｎｍ ｕ ｇａ １９ ９２年理论研究证明了这种推断的正确性１ 并发现 当弹性波 － ２ １ ， 在周期性弹性复合介质中传播 时， 会产生类似光子禁带 的弹性 波禁带——“ 声子禁 带”ｐ ｏｏｉ ｂｎ ｇｐ 。 ９３年 Ｋ ｓｗ ｈ （ ｈｎｎｃ ａｄ ａ ） １９ ｕｈ ａ ａ
收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ８ ２ ０ － ９ １
声子 晶体 弹性 波禁带 的产生机理解释 ，主要有 布拉 格散 射机理和局域共振机理。 （） １ 布拉格 散射机理 。布拉格 散射 机理认 为 ， 周期变化的
材料特性与弹性波相互作用 ， 使得某些 频率 的波 ， 在周期结构
中没有对 应的振动模 式 ， 从而不 能传播 ， 生禁带 ， 产 这就是 声
等人 提 出了 声子 晶体 （ｈｎｎｃ ｒ ｔ１ ｐ ｏｏ ｉｃ ｓ ） 念 ［ ｙ ａ 的概 ３ １ 此声 子 晶体 。从
（ ） 子晶体的组元具有周期性结构 ； １声 （ ） 子晶体具有带 隙特性 ； ２声 （） ３ 当声子晶体具有点缺 陷或线缺 陷时 ， 弹性波与声波会 被局域在点缺陷处 ， 只能沿线缺陷传播 。 或
材料 组分搭配 的不 同， 周期 结构形式 的不 同 ， 声子 晶体 的弹性
波禁带特性也不 同 ，可 以通 过材料组分——分 散物弹性常数 的周期性调制 ， 来实现声子带隙 。 影响声子晶体带隙的因素有 物理参数和结构参数 两类 。物理参数如分散物 与基体之 间密
度 、 速和阻抗 的比率 。 声 结构参数如分散物的几何参数和体积
２ 声 子 晶体 的研 究现 状
１ 声 子晶体 的基 本概 念 、 理论 和特征
声子晶体 的概念 ， 是从光子 晶体 的概念演绎而来 ， 与光子 晶体具有许 多相似之处 ，是一 种具有弹性波带隙的周期性复
合 结 构 材 料 。声 子 晶体 一 般 由 两 相 或 两 相 以上 的 弹 性 介 质 组
子 晶体禁带产 生的主要 原因 。布拉格散射 形成的弹性波禁带 对应 的波长 ， 一般与周期结 构尺寸参 数（ 即晶格尺寸 或晶体常
一
种 新 的减 振 降噪 声 学 功 能材 料
温淑花， 学良， 张 王鹏 云 ， 晓光 文
（ 太原科技 大学 机电工程 学院 ， 山西 太原 ０ ０ ２ ） ３ ０ ４
尸 丁百 声 子晶体 目
摘
要： 介绍 了声子晶体 的基本 理论和 主要特征 、 究概 况及 其在振动与噪 声控制 方面广阔的工程技术 应用前景 ， 研 并对其 未来的研 究
分数 （ 充 比 ） 晶体 的拓扑结 构 （ 方形 、 填 、 正 三角 形 、 正六 边形 等 ）缺陷态（ 、 点缺 陷、 线缺陷、 面缺陷 ） 一般情况下 ， 。 各组分材
率 的光波在其 中的传播 ， 阻止 的光 波频率称 为“ 被 光子禁带 ”
（ｈｔｎ ａｄ ａ ） 由此 提 供 了一 种 独 一 无 二 的 制裁 光 和 电 ｐ ｏ ｉ ｂｎ ｇｐ 。 ｏｃ 磁 波 的方 式 【 声 波 与 光 波 在 波 动 性 上 具 有 共 性 之 处 ， 此 可 ｌ 】 。 因 以 推 断 由弹 性 材 料 （ 振 动 介 质 ） 成 的 周 期 性 结 构 ， 具 有 或 构 也
研究 ， 引起 了世界各国的高度关注。声子 晶体是一种 弹性常数
周期性分布 的复合结构 ， 是一种新型 的声学功能材料 ， 在振动
与 噪声 控 制方 面 ， 具有 广 阔的 工 程 技术 应 用 前 景 。 声 子 晶体 研 究 始 于 ２ 纪 ８ 代 初 期 ， 到 ２ 纪 ９ ０世 Ｏ年 直 ０世 ０
年代才有所突破 。１９ ９ ２年 Ｓｇｌ ｉ ａ ａ ｓ和 Ｅ ｏ ｏ ｏ ｃｎ ｍ ｕ首次理论研究
证实 ，球形散射体埋入某一 基体材料 中形成 的三维周期性点
阵结构 ， 具有 弹性波禁带特性ｔ １９ ｚ ９ ３年 Ｋ ｓｗ ｈ ］ 。 ｕｈ ａａ等首次提 出 了声子晶体的概念１ １９ ３ ９ ５年 Ｍａｔ ｅ— ａ １ 。 ｒｎ ｚＳｌ ｉ ａ等首次实验证 实了 弹性波禁带的存在 。
２１ 声 子 晶体 带 隙 的 产 生 机 理 ．
成 ， 中连续 的物理相 叫做 基体 ， 其 不连 续相称为分 散物 （ 或散 射体）】 【 ４ 。其内部 材料组分（ 或称为组元） 的弹性 常数 、 质量密度 等参数可 以有周期性的变化 ， 本质上属于复合材料范畴。 但与 光子 晶体相 比， 声子晶体所具有 的一大特点 ， 是其组成材料弹 性 常数可 以有 巨大差别四 依据声子晶体结构在笛卡尔坐标系 。 中 ３个 正交方 向上 的周期性 ， 以将其分为一维 、 可 二维和三维 声子 晶体 。 声子晶体结构材料 ， 在整体上是不均匀 的， 而每种组元 的 内部却是均匀 的。周期性 材料 表现出不同于其组元的物理性 质， 周期 性材料的组成或结构不 同， 其物理性质也不 同。随着
作 了展 望 。
关键词 ： 声子晶体 ； 隙； 带 减振降噪
中图 分 类 号 ： ２ ０４ ９ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ ０）１ ０ ４ － ４ １ ７— ４ Ｘ ２ １ ０— １ ３０
减振降噪理论在 国防军工 、 工业和民用技术等领域 ， 具有 重要地 位 ， 静音潜艇 的没计 、 是 飞机仪表 的隔振 、 微机 械高精 度加工 、 精密测量等高技术 的基础 。 光子 晶体 （ｈｔ ｉ ｃ ｓ １概念于 １８ ｐ ｏ ｎｃ ｒ ｔ ） ｏ ａ ｙ ９ ７年提 出 ， 它是一种 介电常数周期性 分布的电介质复合结构 ，可以阻止某一种频
料参数的 比率越大 ， 声子晶体带隙越容 易产 生 ， 即材料物理参
数的高 比率 ， 是产生带隙的重要条件［ ４ １ 。
声 子 晶 体 具有 如下 基 本 特 征 ［ ａ ｌ ：
阻止某些频率的弹性振动波传播的性能 。Ｓ ａ ｓ Ｅ ｏｏ ｏ ｉ ｌ 和 ｃｎｍ ｕ ｇａ １９ ９２年理论研究证明了这种推断的正确性１ 并发现 当弹性波 － ２ １ ， 在周期性弹性复合介质中传播 时， 会产生类似光子禁带 的弹性 波禁带——“ 声子禁 带”ｐ ｏｏｉ ｂｎ ｇｐ 。 ９３年 Ｋ ｓｗ ｈ （ ｈｎｎｃ ａｄ ａ ） １９ ｕｈ ａ ａ
收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ８ ２ ０ － ９ １
声子 晶体 弹性 波禁带 的产生机理解释 ，主要有 布拉 格散 射机理和局域共振机理。 （） １ 布拉格 散射机理 。布拉格 散射 机理认 为 ， 周期变化的
材料特性与弹性波相互作用 ， 使得某些 频率 的波 ， 在周期结构
中没有对 应的振动模 式 ， 从而不 能传播 ， 生禁带 ， 产 这就是 声
等人 提 出了 声子 晶体 （ｈｎｎｃ ｒ ｔ１ ｐ ｏｏ ｉｃ ｓ ） 念 ［ ｙ ａ 的概 ３ １ 此声 子 晶体 。从
（ ） 子晶体的组元具有周期性结构 ； １声 （ ） 子晶体具有带 隙特性 ； ２声 （） ３ 当声子晶体具有点缺 陷或线缺 陷时 ， 弹性波与声波会 被局域在点缺陷处 ， 只能沿线缺陷传播 。 或
材料 组分搭配 的不 同， 周期 结构形式 的不 同 ， 声子 晶体 的弹性
波禁带特性也不 同 ，可 以通 过材料组分——分 散物弹性常数 的周期性调制 ， 来实现声子带隙 。 影响声子晶体带隙的因素有 物理参数和结构参数 两类 。物理参数如分散物 与基体之 间密
度 、 速和阻抗 的比率 。 声 结构参数如分散物的几何参数和体积
２ 声 子 晶体 的研 究现 状
１ 声 子晶体 的基 本概 念 、 理论 和特征
声子晶体 的概念 ， 是从光子 晶体 的概念演绎而来 ， 与光子 晶体具有许 多相似之处 ，是一 种具有弹性波带隙的周期性复
合 结 构 材 料 。声 子 晶体 一 般 由 两 相 或 两 相 以上 的 弹 性 介 质 组
子 晶体禁带产 生的主要 原因 。布拉格散射 形成的弹性波禁带 对应 的波长 ， 一般与周期结 构尺寸参 数（ 即晶格尺寸 或晶体常