SUPERVISOR
Hamidreza Mirdamadi,Mehran Moradi
سیدحمیدرضا میردامادی (استاد مشاور) مهران مرادی غریبوند (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Bagheri Nouri
محمد باقری نوری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Presentation of a new phononic crystal heterostructure to guide elastic waves in arbitrary angles and investigation of effects of structural defects
Subject of this dissertation is presentation of a new phononic crystal structure to guide elastic waves in arbitrary angles and investigation of effects of structural defects. A new algorithm for studying of elastic wave propagation in the phononic crystals has been presented at first. In contrast with conventional finite difference time domain method, by using constitutive equations and strain-displacement relations, elastic wave equations have been derived based on displacement. Then, these displacement based equations have been discretized using finite difference method. By this technique, components of stress tensor can be removed from the updating equations. The new algorithm is called displacement based finite difference time domain method(DBFDTD). Since the proposed method needs less elementary arithmetical operations, its computational cost is less than that of the conventional FDTD method. Several numerical examples were computed with this method and the results were compared with experimental measurements and conventional FDTD method. The computational cost of the new approach was compared with conventional FDTD method as well. The comparison showed that the calculation time of the DBFDTD method is 37.5 percents less than that of the FDTD method. Afterward, a new heterostructure phononic crystal has been introduced. The new heterostructure is composed of square and rhombus phononic crystals. Presented heterostructure analyzing showed that the band gap can be extended by using the new structure. Effect of rhombus angular constant on the band gap of the heterostructure was studied too. This investigation showed that the band gap of the heterostructure phononic crystal would be wider than those of other heterostructures studied if the angular constant of the rhombus lattice is 80 degree. In addition, the ability of the presented structure in the arbitrary angle guiding of elastic waves was investigated. This study showed that by creating line defects in the composition of the square and triangular lattices, 30 degree bend waveguide can be realized. This bend guides elastic waves in the frequency range of 94-129 kHz. Also the study showed that by creating line defects in the composition of the square and rhombus lattices, 40 (20) degree bend waveguide could be obtained if the angular constant of the rhombus lattice is 80 (40) degree. The 40 (20) degree bend waveguide leads elastic waves in the frequency range of 121-127 (100-106) kHz. Also analyzing of the presented heterostructure showed that the structure can guide elastic waves in the arbitrary angle greater than 90 degree. Afterwards the effects of the cavity on the transmission sepectra of the presented waveguide was studied. Analysing of coupling effects in joined parallel square and triangular phononic crystal waveguides was another subject of this dissertation. The results showed that the beat phenomenon of the two-waveguide system is poor as well as the coupling effects. Finally an experimental sample of the presented strucuture (periodic arrangement of steel rods in the polyester host) was manufactured and tested. Comparison of the experimental transmission spectra with calculated one indicates that the experimental and numerical results are in good agreement. Key words: phononic crystal heterostructure, band gap extension, finite difference time domain, displacement-based formulation, arbitrary angle waveguide, structural defects, joined waveguides
موضوع این رساله ارائه یک ساختار جدید کریستال فونونیک جهت هدایت امواج تحت زاویه دلخواه و بررسی اثرات نقص ساختاری است. در ابتدای این رساله یک الگوریتم جدید برای مطالعه انتشار امواج الاستیک در کریستال فونونیک ارائه شده است. بر خلاف روش مرسوم تفاضل محدود در حوزه زمان، در ابتدا با استفاده از معادلات متشکله و روابط کرنش-جابجایی، معادلات موج الاستیک بر مبنای متغیر جابجایی استخراج شده است. سپس این معادلات جابجایی-مبنا، با استفاده از روش تفاضل محدود گسسته سازی شده اند. با این روش مؤلفه های تنش از معادلات به روزرسانی قابل حذف هستند. این الگوریتم جدید روش تفاضل محدود جابجایی-مبنا در حوزه زمان نامیده می شود. مقایسه معادلات به روزرسانی الگوریتم جدید با معادلات روش مرسوم تفاضل محدود در حوزه زمان نشان می دهد که روش جدید به عملیات پایه حسابی کمتری نیاز دارد. بنابراین هزینه محاسباتی این روش از روش مرسوم کمتر است. مثال های عددی گوناگون به کمک این روش محاسبه و نتایج با مقادیر حاصل از آزمایش و روش مرسوم تفاضل محدود در حوزه زمان مقایسه شد. همچنین مقایسه زمان محاسبات این روش با روش مرسوم نشان داد که زمان محاسبه روش جدید 5/37 درصد از روش مرسوم کمتر است. در ادامه از ترکیب دو آرایش مستطیلی و لوزی، یک ساختار نامتجانس جدید پیشنهاد شده است. تحلیل ساختار پیشنهادی نشان داد که با ترکیب دو آرایش مربعی و لوزی و ایجاد ساختار نامتجانس می توان شکاف نواری را توسعه داد. در بین حالت های بررسی شده، شکاف نواری ساختار نامتجانس در حالتی که زاویه آرایش لوزی 80 درجه است وسیع تر است. همچنین قابلیت ساختار پیشنهادی در هدایت موج تحت زاویه دلخواه ارزیابی شد. این ارزیابی نشان داد که با ایجاد نقص خطی در ترکیب دو آرایش مربعی و مثلثی، خم هدایت کننده 30 درجه قابل تحقق است. این خم در محدوده فرکانسی 94 تا 129 کیلو هرتز امواج الاستیک را هدایت می کند. همچنین با ایجاد نقص خطی در ترکیب دو آرایش مربعی و لوزی با ثابت زاویه ای 80 درجه خم هدایت کننده 40 درجه و با ایجاد نقص خطی در ترکیب دو آرایش مربعی و لوزی با ثابت زاویه ای 40 درجه خم هدایت کننده 20 درجه قابل تحقق است. خم 40 درجه و 20 درجه به ترتیب در محدوده فرکانسی 121 تا 127 و 100 تا 106 کیلو هرتز امواج الاستیک را هدایت می کنند. علاوه بر این تحلیل ساختار پیشنهادی، نشان داد که خم حاصل در هدایت موج تحت زاویه دلخواه بیشتر از 90 درجه توانایی دارد. در ادامه اثر حفره بر طیف عبور هدایت کننده پیشنهادی بررسی شد. بررسی امکان کوپل دو هدایت کننده مربعی و مثلثی موضوع دیگری است که این رساله بدان پرداخته است. این بررسی نشان داد که پدیده تپش در هدایت کننده های مربعی و مثلثی که در مجاورت هم قرار گرفته اند ضعیف است. این به معنی عدم کوپل در این دو هدایت کننده است. در نهایت یک نمونه آزمایشگاهی ساختار پیشنهادی(آرایش متناوب میله های فولادی در زمینه پلی استر) ساخته و آزمایش شد. مقایسه طیف عبور بدست آمده از آزمایش و طیف عبور بدست آمده از تحلیل نمونه آزمایشگاهی بر تطابق خوب نتایج تحلیل و آزمایش دلالت می کند. واژگان کلیدی: کریستال فونونیک نامتجانس، توسعه شکاف نواری، روش تفاضل محدود در حوزه زمان، فرمول بندی جابجایی مبنا، هدایت کننده با زاویه دلخواه، نقص ساختاری، هدایت کننده های به هم متصل