基于COMSOL的固体力学或压力声学模块仿真声子晶体
近年来,周期性复合材料受到了广泛的关注。众所周知,半导体的理论基础是能带理论。当电子在周期势场中传播时,就会形成带结构(即导带和禁带),电子只能在导带中自由运动。人们可以通过调节半导体超晶格中的物理参数来设计和调节带隙,从而促进半导体科学技术的发展。最近,类似的研究已经扩展到弹性/声波在称为声子晶体的周期性复合材料中的传播。弹性波在周期性复合介质(如声子晶体)中的传播是过去十年来许多研究者感兴趣的研究对象。声子晶体是由矩阵中二维或三维周期排列的内含物产生的。声子晶体可以表现出绝对带隙,在这里弹性波在各个方向上的传播是被禁止的。这些带隙出现在一定的密度和弹性性质、组成、排列几何形状和夹杂形状的对比条件下。当声子晶体的周期性被打破时,在声带隙内可能会产生高度局域缺陷,类似于光子晶体中的局域模和半导体中的局域杂质态。扩展的缺陷,如声子晶格中不同的夹杂行已被证明在晶体带隙内引导弹性波。不同缺陷模式可以用来设计不同的功能材料。因此,对声子晶体的研究具有重要的物理意义。
在COMSOL中,可以用 固体力学 或 压力声学 模块仿真声子晶体。
首先以一维声子晶体为例:
如上图,模型左右两部分是不同的材料,并且在左右方向具有周期排列特征。
在物理场中设置周期性边界条件:
在周期边界上设置一致的网格点,以提高数值稳定性:
仿真得到的一维声子晶体能带图:
对于实际的准周期性模型,可以计算透射谱,以验证声子晶体能带中存在的禁带现象:
上图可以明显看到频率对透射率的影响。特定的频率下,声波很难从一端传播到另一端,就是对应的能带图中所谓的禁带。
对于二维、三维模型,需要根据对称性,建立合适的周期性模型及添加合适的周期性边界条件。一些二维、三维结构的布里渊区:
二维声子晶体能带:
三维FCC声子晶体能带,以及这里选取的周期性结构:
得到的声子能带图:
也可以按实际路径长度,设定高对称点分割,以便后续添加高对称点标记:
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