[發明專利]一種基于分子動力學理論的納米聲學效應分析方法

有效

• 申請號: 201910122716.1
• 申請日: 2019-02-18
• 公開（公告）號: CN109883985B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 張濤;吳利娜;姜峰;鄧艷艷;李敏;張晶園;蔣林
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586;H04R31/00;B81C1/00
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

1.一種基于分子動力學理論的納米聲學效應分析方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟一、構建納米聲學器件振動激勵系統：在承載臺(1)上放置納米聲學器件，利用擾動施加機構(3)對所述納米聲學器件施加擾動，通過超高分辨率激光光譜儀觀察所述納米聲學器件的波動狀態，通過計算機計算反映所述納米聲學器件聲學效應的參數，所述擾動施加機構(3)、所述納米聲學器件、所述超高分辨率激光光譜儀和所述計算機構成納米聲學器件振動激勵系統，所述擾動施加機構(3)為分子束發生器，所述分子束發生器的數量為多個，所述分子束發生器為點源分子束發生器、線源分子束發生器或面源分子束發生器；

步驟二、調節分子束發生器：根據實驗需求選取所需類型的分子束發生器，調節分子束發生器發出分子束的方向和力度，對納米聲學器件中的部分邊緣分子施加擾動；

根據公式計算部分邊緣分子中第i個邊緣分子的加速度其中，m_0i為部分邊緣分子中第i個邊緣分子的質量，為部分邊緣分子中第i個邊緣分子受到的擾動作用合力；

根據公式計算部分邊緣分子中第i個邊緣分子的速度和位置坐標為部分邊緣分子中第i個邊緣分子的初始速度，為部分邊緣分子中第i個邊緣分子的初始位置坐標，t為時間；

步驟三、根據公式計算納米聲學器件中第p個分子和第k個分子之間的勢函數U_pk(r_pk)，其中，r_pk為納米聲學器件中第p個分子和第k個分子之間的間距，p≠k，ε為結合強度參數且ε取值為0.01032eV，σ為分子半徑的參數且σ取值為3.405埃；

步驟四、根據公式計算納米聲學器件中第p個分子的作用合力其中，N為納米聲學器件中分子總數，為對納米聲學器件中第p個分子的梯度運算；

根據公式計算納米聲學器件中第p個分子的加速度其中，m_p為納米聲學器件中第p個分子的質量；

根據公式計算納米聲學器件中第p個分子的速度和位置坐標為納米聲學器件中第p個分子的初始速度，為納米聲學器件中第p個分子的初始位置坐標；

步驟五、重復步驟三至步驟四，獲取不同時刻的納米聲學器件中第p個分子的作用合力、速度和位置坐標；

步驟六、建立三維直角坐標系：所述納米聲學器件放置在承載臺(1)上，在承載臺(1)上表面所在平面內建立相互垂直的x軸和z軸，在垂直于承載臺(1)上表面所在平面的方向設立y軸，x軸、z軸和y軸共同構成三維直角坐標系，所述納米聲學器件的底面位于x軸和z軸所在的平面內，令所述納米聲學器件中分子波動的方向與x軸平行，所述納米聲學器件的高度方向與y軸平行；

步驟七、根據公式計算納米聲學器件的平均應力η^xy，其中，V為納米聲學器件的體積，為納米聲學器件中第p個分子的速度的x軸分量，為納米聲學器件中第p個分子的速度的y軸分量，為納米聲學器件中第p個分子和第k個分子的作用合力的x軸分量，為納米聲學器件中第p個分子和第k個分子的間距的y軸分量；

根據公式計算納米聲學器件x方向的應變ζ_x和納米聲學器件y方向的應變ζ_y，其中，L_x0為納米聲學器件x方向的初始長度，L_x為納米聲學器件x方向的變形后長度，L_y0為納米聲學器件y方向的初始長度，L_y為納米聲學器件y方向的變形后長度；

步驟八、根據胡克定律計算彈性常數C₁₁、C₁₂和C₄₄，其中，η_x為納米聲學器件的平均應力η^xy的x軸分量，η_y為納米聲學器件的平均應力η^xy的y軸分量，τ_xy為納米聲學器件垂直于x軸的截面在y方向的剪切應力且A為剪切面面積，F_Δ為剪切面內所有分子y方向的合力，γ_xy為在剪切應力作用下的剪切應變且u為剪切面內分子沿x方向的位移量，θ為剪切面內分子沿y方向的位移量；

步驟九、根據公式計算納米聲學器件中傳播的聲表面波縱波的波速V_t、泊松比g和納米聲學器件自由表面傳播的聲表面波相速度V_R，其中，ρ為納米聲學器件材料密度；

步驟十、根據公式計算納米聲學器件的中心頻率f_z，其中，λ為聲波波長；

步驟十一、確定聲波傳播系數：在納米聲學器件壓電基底垂直于x軸的平面內建立其所受壓力與分子粘滯力相互作用的力學方程在納米聲學器件壓電基底垂直于x軸的平面內建立導熱特性產生的力與聲壓的力學方程其中，Φ為納米聲學器件的粘滯損耗率，Ω為導熱損耗系數，P為納米聲學器件壓電基底垂直于x軸的平面相對于無擾動時的壓強改變量，W為納米聲學器件壓電基底垂直于x軸的平面內所有分子的平均速度，K為納米聲學器件的壓縮率；

對進行拉普拉斯變換求解，得其中，為聲波傳播系數，將轉換為得的拉普拉斯通解為P'(s)和P”(s)均為常數，由于分子束發生器對納米聲學器件中的部分邊緣分子施加擾動，可知納米聲學器件為半無限介質，則頻域內在半無限介質中始端聲壓為P(0,jω)，P(0,jω)為已知量，因此與半無限介質中始端相距X處的聲壓為與半無限介質中始端相距X+1處的聲壓為對取對數變換得令β為的實部；

步驟十二、根據公式計算聲波損耗IL，繪制聲波損耗與頻率的對應關系圖，聲波損耗與頻率的對應關系圖中聲波損耗峰值位置對應的頻率值為納米聲學器件的中心頻率f_z；

當時，解得待求頻率f_e對應的聲波損耗值存在兩個頻率解：f₁和f₂，即待求頻率f_e為f₁和f₂，為中心頻率f_z對應的聲波損耗值，則|f₂-f₁|為納米聲學器件的帶寬；

當時，解得待求頻率f_e對應的聲波損耗值存在兩個頻率解：f₁和f₂，即待求頻率f_e為f₁和f₂，為中心頻率f_z對應的聲波損耗值，則|f₂-f₁|為納米聲學器件的帶寬；即得到納米聲學器件的納米聲學效應參數：納米聲學器件自由表面傳播的聲表面波相速度V_R、納米聲學器件的中心頻率f_z、聲波損耗IL和納米聲學器件的帶寬|f₂-f₁|。