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出版者:国防工业

作者:温熙森//温激鸿//郁殿龙//王刚//刘耀宗等

出品人:

页数:307

译者:

出版时间:2009-8

价格:40.00元

装帧:

isbn号码:9787118063424

丛书系列:

图书标签:

物理
材料学
晶体学
想学
声子晶体
晶格振动
固体物理
材料科学
光子晶体
周期性结构
声学
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计算物理
凝聚态物理

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具体描述

《声子晶体》系统介绍了声子晶体基本概念和理论基础，结合国内外研究现状及作者取得的最新研究成果，详细论述了声子晶体带隙计算方法、带隙形成机理以及典型声子晶体结构的振动带隙特性。《声子晶体》可供从事声子晶体理论以及振动与噪声控制领域的相关科技人员、高年级本科生以及研究生阅读。

声子晶体（Phononic Crystals）：调控声波的奇异世界声子晶体，一个听起来充满科幻色彩的名词，实则代表着一种前沿的物理材料学领域，它为我们提供了前所未有的能力来精确地控制声波的传播。不同于光学领域的光子晶体，声子晶体利用的是材料中的周期性结构来影响声子的行为，也就是晶格振动，最终实现对声波的过滤、聚焦、引导甚至完全阻挡。想象一下，如果我们可以像调控水流一样，精准地控制声波的路径和强度，那将为众多领域带来革命性的变革。声子晶体正是实现这一宏愿的关键。其核心思想在于，通过在材料内部引入尺寸与声波波长相当的周期性微结构，可以构建出“声子带隙”（phononic band gaps）。在这些特定的频率范围内，声波将无法在晶体中传播，如同被一道无形的墙壁阻挡。反之，在允许传播的频率范围内，声波则可以以预期的方向和速度传播。声子晶体的构建与原理：声子晶体的基本构成单元是周期性排列的两种或多种不同声学性质的材料。这些材料的声速、密度等参数差异越大，形成的声子带隙就越显著。常见的结构形式包括二维的圆柱阵列、方块阵列，以及三维的球体阵列、多孔结构等。这些周期性结构的存在，使得声波在传播过程中会经历多次散射和干涉。当这些散射和干涉以一种特定的、相干的方式发生时，就会形成所谓的布拉格衍射（Bragg diffraction）。当散射和干涉叠加起来，导致声波能量无法在某些频率下有效传播时，就形成了声子带隙。声子带隙的出现，与晶体结构的周期性、构成材料的声学性质以及声波的频率和波长密切相关。通过设计不同的周期性结构、调整单元材料的尺寸、形状和组成，科学家们可以精确调控声子带隙的出现频率和宽度，从而实现对特定频率声波的选择性过滤。声子晶体的应用前景：声子晶体的出现，打开了声波操控的无限可能，其潜在应用领域涵盖了我们生活的方方面面：隔音与吸声材料：利用声子晶体宽且深的声子带隙，可以设计出高效的隔音墙、隔音罩，有效阻挡特定频率的噪声，为城市环境、工业生产、交通运输等领域提供更宁静的空间。例如，在机场附近建造声子晶体隔音屏障，可以显著降低飞机起降产生的噪音污染。声学滤波与频率选择：通过精确设计声子晶体的结构，可以构建出能够选择性地允许或阻止特定频率声波通过的滤波器。这在声纳系统、超声成像、音频处理等领域具有重要意义。例如，在医学超声诊断中，声子晶体滤波器可以滤除干扰信号，提高成像的清晰度和分辨率。声波引导与聚焦：声子晶体还可以构建出“声子波导”，引导声波沿着预设的路径传播，如同光纤引导光波一样。此外，还可以利用声子晶体的缺陷结构，实现声波的聚焦，将声能集中在某个点，提高声波的能量密度。这在超声治疗（例如，通过聚焦高强度超声波来破坏肿瘤细胞）、无损检测、以及声学成像等领域有着巨大的潜力。热电转换与热管理：声子是晶格振动的载体，也是热量传输的主要方式。声子晶体通过调控声子的传播，也可以影响材料的热导率。通过设计声子晶体结构，可以实现热量的高效传导或隔绝，从而在热电转换器件（将热能转化为电能）和热管理领域发挥作用，例如用于提升太阳能电池的效率，或者为电子设备提供更有效的散热方案。传感技术：声子晶体对外部环境的变化（如温度、压力、化学物质等）非常敏感，这些变化会影响其声学性质，进而改变声子带隙的频率。利用这一特性，可以开发出高灵敏度的声学传感器，用于检测微弱的物理或化学信号。声学器件与集成：随着微纳加工技术的不断发展，我们可以将声子晶体集成到微小的器件中，构建出微型化的声学器件，例如微型扬声器、微型麦克风、以及集成化的声学信号处理器。这为便携式电子设备、可穿戴设备以及微机电系统（MEMS）等领域提供了新的发展方向。未来的挑战与展望：尽管声子晶体展现出令人兴奋的应用前景，但其发展仍面临着一些挑战。如何在大尺度上高效、低成本地制备出结构精密、性能优异的声子晶体材料是亟待解决的问题。此外，对复杂结构声子晶体声学行为的精确理论模拟和实验验证，以及如何将理论设计转化为实际应用中的高性能器件，也需要科学家们持续的努力。随着研究的深入，声子晶体材料的设计和制备技术将不断进步，其应用领域也将不断拓展。从基础研究到工程应用，声子晶体正逐渐从实验室走向现实，为我们打开一个全新的声波操控时代，并有望在未来为社会发展带来深远的影响。

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目录信息

第1章概论 1.1 声子晶体简介 1.1.1 声子晶体概念及基本特征 1.1.2 声子晶体的分类 1.1.3 声子晶体的研究简史 1.2 声子晶体带隙计算方法介绍 1.3 声子晶体带隙机理及带隙特性 1.3.1 Bragg散射机理及特性 1.3.2 局域共振机理及特性 1.4 声子晶体的其他特性 1.4.1 声子晶体的缺陷态特性 1.4.2 负折射与声聚焦特性 1.4.3 弹性波的定向传播特性 1.4.4 声吸收特性 1.5 声子晶体应用探索第2章声子晶体的理论基础 2.1 弹性动力学基础 2.1.1 应力与应变 2.1.2 弹性动力学基本方程 2.1.3 弹性波 2.2 晶格与能带理论 2.2.1 晶格 2.2.2 Bloch定理 2.2.3 能带结构 2.3 声子晶体的研究方法 2.3.1 理想声子晶体的理论模型 2.3.2 声子晶体带隙特性的描述方法第3章声子晶体带隙特性计算方法 3.1 传递矩阵法 3.1.1 传递矩阵推导 3.1.2 能带结构计算 3.1.3 有限周期结构的传输特性计算 3.2 平面波展开法 3.2.1 平面波展开法的基本理论 3.2.2 平面波展开法收敛性的改进 3.3 时域有限差分法 3.3.1 时域有限差分法概述 3.3.2 解弹性波方程的时域有限差分算法 3.3.3 用时域有限差分法计算有限周期声子晶体的传输特性 3.3.4 用时域有限差分法计算声子晶体的能带结构 3.4 多散射理论 3.4.1 多散射方法的基本思想 3.4.2 二维圆柱散射体声子晶体的能带结构计算 3.4.3 三维球状散射体声子晶体的能带结构计算 3.4.4 层多散射法计算有限周期结构的传输特性 3.5 集中质量法 3.5.1 一维声子晶体能带结构计算的集中质量法 3.5.2 二维声子晶体能带结构计算的集中质量法 3.5.3 三维声子晶体能带结构计算的集中质量法 3.5.4 集中质量法与其他算法的比较第4章声子晶体带隙机理及其调节规律 4.1 Bragg散射型声子晶体带隙形成机理及特性 4.1.1 Bragg散射型声子晶体带隙的基本特征 4.1.2 Bragg散射型声子晶体带隙形成机理 4.1.3 Bragg散射型声子晶体带隙的主要影响因素 4.2 局域共振型声子晶体带隙形成机理及特性 4.2.1 局域共振型声子晶体带隙的基本特征 4.2.2 局域共振带隙机理 4.2.3 局域共振带隙的影响因素 4.3 两种带隙机理的统一性描述 4.3.1 声子晶体中的耦合波和解耦模式 4.3.2 声子晶体中Bragg干涉（周期性）与Mie散射作用第5章一维典型声子晶体结构的振动带隙特性 5.1 一维声子晶体杆状结构纵向振动带隙特性 5.1.1 能带结构计算 5.1.2 传输特性计算 5.1.3 表面局域态现象 5.2 声子晶体轴结构的扭转振动带隙特性 5.2.1 能带结构计算 5.2.2 传输特性计算 5.2.3 几何参数对带隙特性的影响 5.3 声子晶体梁结构的弯曲振动带隙特性 5.3.1 声子晶体欧拉梁 5.3.2 声子晶体铁摩辛柯梁 5.4 声子晶体薄壁梁的弯扭耦合振动带隙 5.4.1 算法推导 5.4.2 带隙特性计算与分析 5.5 声子晶体轴扭转振动的局域共振带隙 5.5.1 能带结构计算 5.5.2 传输特性仿真与带隙特性分析 5.6 声子晶体梁弯曲振动的局域共振带隙 5.6.1 单自由度局域共振结构 5.6.2 双自由度局域共振结构第6章二维典型声子晶体结构的振动带隙特性 6.1 二维声子晶体薄板结构的纵向振动带隙 6.1.1 薄板模型 6.1.2 能带结构计算 6.1.3 与二维声子晶体XY模式能带结构的比较 6.1.4 传输特性计算 6.2 二维声子晶体板结构的弯曲振动带隙 6.2.1 基于薄板理论的二维声子晶体板结构弯曲振动带隙 6.2.2 基于厚板理论的二维声子晶体板结构弯曲振动带隙 6.3 二维声子晶体格栅结构的振动带隙 6.3.1 模型与算法验证 6.3.2 二维声子晶体格栅结构纵向振动带隙 6.3.3 二维声子晶体格栅结构弯曲振动带隙 6.4 二组元声子晶体薄板结构的弯曲振动局域共振带隙 6.5 三组元声子晶体薄板结构纵向振动局域共振带隙 6.5.1 理论计算 6.5.2 传输特性计算 6.5.3 实验验证 6.6 三组元声子晶体薄板结构的弯曲振动局域共振带隙 6.6.1 结构设计与理论计算 6.6.2 实验验证 6.6.3 二维声子晶体板结构弯曲振动局域共振带隙与Bragg带隙比较附表材料参数表参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

这本《声子晶体》的封面设计得非常引人注目，那种深邃的蓝色调和抽象的几何图案，一下子就抓住了我的眼球。我通常对物理学题材的书籍抱有一种敬畏感，因为感觉内容会过于深奥难懂，但这本书的排版和图示设计却给了我一种意料之外的亲和力。尤其是初读前几章时，作者巧妙地引入了“周期性结构”的概念，用非常形象的比喻，比如将晶体比作一座精心搭建的、能控制声波行走的“迷宫”，让我这个非专业人士也能迅速建立起基本的空间想象。书中对晶格排列方式的描述，无论是二维的蜂窝结构还是三维的堆积模型，都配有清晰的剖面图，这些图示并非简单的示意，而是蕴含了丰富的数学信息，却又不至于让人望而生畏。我特别欣赏作者在讲解布里渊区时的处理手法，通常这是理论物理中最晦涩的部分之一，但在这里，它被描述成一个“声波的音乐厅”，不同的点对应着不同的“音高”或“振动模式”，这种类比极大地降低了理解门槛。读完这部分，我感觉自己仿佛真的能“看到”声波在这些人工材料中被导向、被禁锢、甚至被增强的奇妙过程。

评分☆☆☆☆☆

最让我印象深刻的是作者对“模拟”与“现实”之间鸿沟的探讨。在深入讲解了完美的周期结构后，书中突然转入了对“缺陷工程”的讨论，这一点处理得非常高明。现实世界中的材料总是不完美的，声子晶体中晶格的随机错位、孔洞尺寸的微小偏差，都会对声波的传播特性产生巨大的影响。作者没有将这些视为“噪音”而忽略，反而将其提升到“设计工具”的高度。通过分析这些非周期性带来的新现象，比如局域态的产生，作者展示了如何“故意引入缺陷”来调控声波的行为，甚至实现一些在完美晶体中无法观察到的功能，比如声学隐身或更精细的声波聚焦。这种从理想模型到实际应用的螺旋上升式论证结构，极大地拓宽了我的研究视野。它教会我，真正的创新往往诞生于对既有规则的微妙偏离之中，这不仅仅是物理学的真理，更是科研工作者应有的思维方式。

评分☆☆☆☆☆

通读全书，我最大的感受是作者将一个原本可能显得有些冷僻和前沿的领域，成功地“翻译”成了一门引人入胜的工程学和基础物理学交汇的艺术。书中的语言风格并非那种传统教科书的刻板说教，而更像是一场精心策划的学术漫谈，充满了对自然规律的敬畏和探索的激情。最后几章关于超材料和极端声学特性的展望，更是让人热血沸腾，仿佛看到了未来十年声学研究的蓝图。我尤其喜欢作者在结尾处对“未来挑战”的坦诚分析，他没有夸大现有技术的潜力，而是清晰地指出了当前在材料制备精度、超声频段特性测试等方面存在的瓶颈。这种实事求是的态度，让整本书的权威性和可信度大大提升。对于任何希望全面了解或进入声子晶体领域的人来说，这本书无疑提供了一个极其坚实、全面且富有启发性的知识基石，远超我最初的预期。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度是毋庸置疑的，但其表达方式却展现出一种令人惊叹的谦逊和严谨。对于每一个关键的物理量，比如声子带隙的宽度、群速度的色散关系，作者都非常耐心地追溯其数学推导的每一步。我特别留意了关于“拓扑声子学”的那几个章节，这部分内容在近几年的研究中非常热门，书中对“拓扑绝缘体”在声学领域的类比阐述得极为精妙。它没有停留在简单的类比层面，而是深入探讨了边缘态的非互易传输特性，这要求读者必须对线性代数和群论有基本的了解。然而，即便是这样高深的数学工具，作者也通过一系列精心设计的图表和表格，将其可视化。我感觉作者仿佛是一位经验丰富的导师，他知道在哪里必须严格坚持理论的精确性，又在哪里可以适当地使用直觉性的描述来引导学生跨越理解的鸿沟。这种平衡拿捏得恰到好处，使得这本书既能满足专业研究人员的需求，也足以激发有志于此的本科生的好奇心。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事节奏把握得相当到位，从宏观的材料设计理念过渡到微观的量子力学基础，衔接得丝毫不显突兀。我记得有一次，我被一个关于“负有效质量”的概念卡住了，感觉这完全违背了我们日常的物理直觉。然而，作者并没有直接扔出一堆复杂的薛定谔方程让我硬啃，而是花了大篇幅去追溯这一概念的源头——它实际上是宏观现象对微观周期性响应的一种数学描述。书中引用了历史上几位著名学者的争论，将理论的演化过程描绘成一场思想的“拔河比赛”，这让冰冷的理论充满了人情味和历史厚重感。阅读过程中，我时不时地停下来，合上书本，尝试在脑海中构建一个三维的晶体结构，并想象声子（晶格振动的量子）如何像乒乓球一样在这些结构单元之间反弹、折射。这种沉浸式的阅读体验，很大程度上归功于作者对实验案例的引入。那些关于如何利用声子晶体实现超高精度传感器、或者在降噪领域取得突破的实例，仿佛是为枯燥的理论搭建了一座座实用的桥梁，让理论的价值瞬间变得鲜活起来。

评分☆☆☆☆☆

只看了前两章作为入门普及。集中质量法中的有限元用于多物理场对声子晶体的重要性，那么要不要重拾这一数值计算法，值得考虑，但为何心中如此抵触，而更倾向于用微观粒子的势函数，尽管许多材料尤其是化合物的势函数建立，有点举步维艰，但还是值得坚持吧。

评分☆☆☆☆☆

入门书籍

评分☆☆☆☆☆

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