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수중에서 정방형 격자를 갖는 2차원 포노닉 크리스탈의 음향 밴드 구조
Acoustic Band Structures in Two-dimensional Phononic Crystals with a Square Lattice in Water 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.5, 2015년, pp.335 - 342  

김윤미 (강원대학교 물리학과) ,  이강일 (강원대학교 물리학과) ,  강휘석 (강원대학교 물리학과) ,  윤석왕 (성균관대학교 물리학과)

초록
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포노닉 크리스탈이란 기저물질 내에 주기적으로 배열된 산란체로 구성된 복합물질로서 포노닉 크리스탈에 입사된 음파가 특정 주파수 대역에서 차단되는 현상인 밴드 갭이라는 중요한 특성을 갖는다. 본 연구에서는 수중에서 산란체로서 1 mm의 직경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대가 1.5 mm의 격자상수를 가지며 정방형으로 배열된 2차원 포노닉 크리스탈의 음향 밴드 구조를 이론 및 실험적으로 고찰하였다. 2차원 포노닉 크리스탈의 밴드 구조를 예측하기 위해 유한요소법을 이용하여 첫째 브릴루앙 영역${\Gamma}X$ 방향에 대해 주파수와 파동벡터에 대한 분산관계를 계산하였다. 초음파가 입사되는 방향과 수직한 스테인리스 스틸 막대 층의 개수를 1, 3, 5, 7, 9개로 변화시켜가며 투과계수반사계수를 측정하였다. 계산된 분산관계로부터 2 MHz 이하의 주파수 대역에서 5개의 밴드 갭이 존재하는 것으로 예측되었으며, 첫째 밴드 갭은 0.5 MHz를 중심으로 나타났다. 투과계수 및 반사계수로부터 실험적으로 확인된 밴드 갭은 분산관계로부터 예측된 밴드 갭과 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Phononic crystals are composite materials consisting of a periodic arrangement of scattering inclusions in a host material. One of the most important properties of phononic crystals is the existence of band gaps, i.e., ranges of frequencies at which acoustic waves cannot propagate through the struct...

주제어

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문제 정의

  •  [8]포노닉 크리스탈의 밴드 갭을 예측하기 위한 이론적연구에 비해 실험적 연구는 상대적으로 적은 편이며, 실험적 연구에서도 주로 포노닉 크리스탈의 투과특성에 초점을 두고 있다.[7] 본 연구에서는 수중에서 정방형 격자를 갖는 2차원 포노닉 크리스탈의 음향 밴드 구조를 이론 및 실험적으로 고찰하였다. 먼저 산란체로서 1 mm의 직경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대가 1.
  • 본 연구에서는 2차원 포노닉 크리스탈의 밴드 구조를 예측하기 위해 원기둥 형태의 스테인리스 스틸막대가 정방형으로 무한히 배열된 2차원 포노닉 크리스탈의 구조를 모델링하였다. 반면에 투과계수 및 반사계수를 측정하는 경우에는 초음파가 입사되는 방향과 수직한 스테인리스 스틸 막대 층의 개수를 1, 3, 5, 7, 9개로 변화시켜가며 투과계수 및 반사계수의 변화를 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
포노닉 크리스탈은 어떤 물질인가? 포노닉 크리스탈이란 기저물질 내에 주기적으로 배열된 산란체로 구성된 복합물질로서 포노닉 크리스탈에 입사된 음파가 특정 주파수 대역에서 차단되는 현상인 밴드 갭이라는 중요한 특성을 갖는다. 본 연구에서는 수중에서 산란체로서 1 mm의 직경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대가 1.
포노닉 크리스탈은 어떤 구조를 갖는가? [6] 포노닉 크리스탈은 광파를 이용한 포토닉 크리스탈과 유사하며, 서로 다른 음속 및 밀도를 갖는 물질이 파장 크기 정도의 격자를 이루며 주기적으로 구성된 복합물질이다. 고체나 유체와 같은 기저물질에 산란체를 주기적으로 배열한 구조로서 배열된 형태에 따라 1, 2, 3차원의 구조를 갖는다. 2차원 구조를 갖는 포노닉 크리스탈은 대부분 막대가 규칙적으로 배열된 형태로 구성되며, 많은 연구자들에 의해 막대의 모양이나 배열 형태의 변화에 따른 파동 특이현상에 대한 연구가 수행되고 있다.
밴드 갭 현상은 어떻게 발생하는가? 밴드 갭이란 파동이 특정 주파수 대역에서 결정내부로 투과하지 못하고 반사되는 현상을 의미하며, 브래그 산란에 의해 격자에서 산란된 파동이 물질의 주기성으로 인해 상쇄되어 발생한다.[3] 광학에서는 이러한 현상이 발견되는 물질을 포토닉 크리스탈이라 한다.
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참고문헌 (18)

  1. W. Cai and V. Shalaev, Optical metamaterials; fundamentals and application (Springer, New York, 2010), pp. 1-10. 

  2. M.-H. Lu, L. Feng, and Y.-F. Chen, "Phononic crystals and acoustic metamaterials," Materials Today 12, 34-42 (2009). 

  3. R. H. Olsson. III and I. El-Kady, "Microfabricated phononic crystal devices and application," Meas. Sci. Technol. 20, 012002 (2009). 

  4. R. Gonzalo. P. Maagt, and M. Sorolla, "Enhanced patchantenna performance by suppressing surface waves using photonic-bandgap substrates," IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47, 2131-2138 (1999). 

  5. J. H. Park and J. K. Cho, "Numerical analysis of magnetooptic performance of one-dimensional magneto-photonic crystal," J. Korean Magn. Soc. 10, 99-105 (2000). 

  6. J. H. Page, A. Sukhovich, S. Yang, M. L. Cowan, F. Van Der Biest, A. Tourin, M. Fink, Z. Liu, C. T. Chan, and P. Sheng, "Phononic crystals," Phys. Stat. Sol. 241, 3454-3462 (2004). 

  7. Y. Pennec, J. O. Vasseur, B. Djafari-Rouhani, L. Dobrzynski, and P. A. Deymier, "Two dimensional Phononic crystals: Examples and applications," Surf. Sci. Rep. 65, 229-291 (2010). 

  8. M. Oudich, M. Senesi, M. Badreddine Assouar, M. Ruzenne, J.-H. Sun, B. Vincent, Z. Hou, and T.-T. Wu, "Experimental evidence of locally resonant sonic band gap in two-dimensional phononic crystal stubbed plates," Phys. Rev. B 84, 165136 (2011). 

  9. G. W. C. Kaye and T. H. Laby, Tables of physical and chemical constants and some mathematical functions (Longman, London, 1995), pp. 1-10. 

  10. C. Kittel, Introduction to solid state physics (Wiley, New York, 2005), pp. 33-34. 

  11. D. P. Elford, L. Chalmers, F. V. Kusmartsev, and G. M. Swallowe, "Matryoshka locally resonant sonic crystal," J. Acoust. Soc. Am. 130, 2746-2755 (2011). 

  12. M. Hirsekorn, P. P. Delsanto, N. K. Batra, and P. Matic, "Modelling and simulation of acoustic wave propagation in locally resonant sonic materials," Ultrasonics 42, 231-235 (2004). 

  13. D. Zhao, Y. Ye, S. Xu, X. Zhu, and L. Yi, "Broadband and wide-angle negative reflection at a phononic crystal boundary," Appl. Phys Lett. 104, 043503 (2014). 

  14. A. Khelif, B. Djafari-Rouhani, J. O. Vasseur, and P. A. Deymier, "Transmission and dispersion relations of perfect and defect-containing waveguide structures in phononic band gap materials," Phys. Rev. B 68, 024302 (2003). 

  15. A. Sukhovich, L. Jing, and J. H. Page, "Negative refraction and focusing of ultrasound in two-dimensional phononic crystals," Phys. Rev. B 77, 014301 (2008). 

  16. J. H. Oh, H. M. Seung, and Y. Y. Kim, "A truly hyperbolic elastic metamaterial lens," Appl. Phys Lett. 104, 073503 (2014). 

  17. Z. Chen, B. Guo, Y. Yang, and C. Cheng, "Metamaterials-based enhanced energy harvesting: A review," Physica B 438, 1-8 (2014). 

  18. C. Jo and I.-K. Oh, "A revisit to imperfect acoustic cloak of multi-layered shell structures considering sound speed and impedances matching," J. Sound Vib. 333, 4637-4652 (2014). 

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