專利名稱：基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬聲帶隙材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種聲帶隙材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種基于遺傳算法和有限元法，對(duì)二維液-液聲子晶體原胞材料分布進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得所需要的帶隙特征。
背景技術(shù)：
聲子晶體是指具有不同聲學(xué)特性的材料按周期性復(fù)合在一起、具有聲波帶隙的周期復(fù)合材料。當(dāng)聲波在受到材料常數(shù)的周期性調(diào)制時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生聲帶隙，即一定頻率范圍的聲波的傳播被抑制或禁止。聲子晶體的這種特性具有極大的理論意義，在無(wú)源隔音、聲濾波器等新型聲學(xué)功能材料等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。在上述應(yīng)用中，聲子晶體絕對(duì)帶隙的存在與否及帶隙大小都非常重要；而且，帶隙越大，其應(yīng)用價(jià)值就越高。所以，尋求最大禁帶聲子晶體結(jié)構(gòu)，一直是聲子晶體理論研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的聲子晶體設(shè)計(jì)思路一般是:在特定的晶格類型(正方晶格、三角晶格等)條件下，采用有限的幾種對(duì)稱圖形(如二維問題中，采用圓柱、正方柱等)作為原胞的散射體，通過調(diào)整這些散射體的幾何參數(shù)以及散射體和基體材料參數(shù)來打開聲子晶體帶隙或改善帶隙的特性，進(jìn)而經(jīng)驗(yàn)性地提煉可能的設(shè)計(jì)規(guī)律，然后指導(dǎo)性地尋找更好的聲子晶體新結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)何種形式的聲子晶體原胞結(jié)構(gòu)具有所期望的最優(yōu)帶隙，僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性的總結(jié)和直覺性的預(yù)測(cè)，則是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的問題，這在很大程度上束縛了人們對(duì)聲子晶體的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的聲子晶體設(shè)計(jì)分析方法的不足，本發(fā)明提出一種基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法，根據(jù)對(duì)二維液-液聲子晶體帶隙的要求，自動(dòng)尋找對(duì)應(yīng)的聲子晶體材料最優(yōu)布局，得到具有最優(yōu)帶隙特性的新穎的聲子晶體結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:用有限元法計(jì)算二維液-液聲子晶體的頻散關(guān)系，獲取相應(yīng)的帶隙值；然后應(yīng)用遺傳優(yōu)化算法，根據(jù)帶隙所要達(dá)到目標(biāo)，搜索聲子晶體最優(yōu)材料拓?fù)洳季?。其特點(diǎn)是包括以下步驟:I)初始化:隨機(jī)生成N_個(gè)二進(jìn)制數(shù)表示的染色體(個(gè)體)構(gòu)成初始種群。2)計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度:采用有限元法，計(jì)算每個(gè)遺傳個(gè)體對(duì)應(yīng)的聲子晶體原胞的能帶，得到對(duì)應(yīng)的禁帶數(shù)值。根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)，用聲子晶體禁帶構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，即:拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)設(shè)為第七能級(jí)和第六能級(jí)間帶隙(下面簡(jiǎn)稱第六帶隙)相對(duì)值最大:
權(quán)利要求
1.基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法，用有限元法計(jì)算二維液-液聲子晶體的頻散關(guān)系，獲取相應(yīng)的帶隙值；然后應(yīng)用遺傳優(yōu)化算法，根據(jù)帶隙所要達(dá)到目標(biāo)，搜索聲子晶體最優(yōu)材料拓?fù)洳季?；其特征在?包括以下步驟: 1)初始化:隨機(jī)生成N_個(gè)二進(jìn)制數(shù)表示的染色體，即個(gè)體，構(gòu)成初始種群； 2)計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度:二維液-液聲子晶體滿足Hemholtz方程:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:遺傳個(gè)體對(duì)應(yīng)的聲子晶體原胞為正方晶格；聲子晶體原胞被離散為MXM正方形單元結(jié)構(gòu)，M為正整數(shù)；將每個(gè)單元隨機(jī)配置所選定的聲學(xué)材料，此處僅考慮兩種材料，故采用二進(jìn)制字符串形式表示；聲子晶體原胞設(shè)定為關(guān)于x、y軸對(duì)稱和關(guān)于z軸90°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)設(shè)為第七能級(jí)和第六能級(jí)間帶隙(下面簡(jiǎn)稱第六帶隙)相對(duì)值最大，即:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:用有限元法求解二維液-液聲子晶體所滿足的Hemholtz方程時(shí)，借助多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL Multiphysics3.5a中的聲學(xué)模塊，根據(jù)問題的要求，對(duì)其腳本語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，得到matlab環(huán)境下的程序代碼,啟動(dòng)COMSOL with MATLAB,從而可以求解Hemholtz方程，得到二維液-液聲子晶體頻散關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于:所述步驟3)中，選擇是根據(jù)遺傳個(gè)體適應(yīng)度值的大小，采用精英選擇與輪盤賭相結(jié)合機(jī)制；交叉操作采用平均交叉方式，隨機(jī)選擇染色體實(shí)施行交叉或列交叉，以增強(qiáng)算法的全局搜索能力；個(gè)體變異采用位變異機(jī)制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于遺傳算法和有限元法的液-液聲子晶體拓?fù)鋬?yōu)化方法，用于解決根據(jù)對(duì)二維液-液聲子晶體帶隙要求，主動(dòng)設(shè)計(jì)聲子晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)問題。其首先選用二維正方晶格類型聲子晶體原胞，將聲子晶體原胞離散成M×M正方形單元結(jié)構(gòu)；然后，根據(jù)二維液-液聲子晶體所滿足的Hemholtz方程，借助多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL Multiphysics3.5a中的聲學(xué)模塊，對(duì)其腳本語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，得到matlab環(huán)境下的程序代碼，用于計(jì)算其帶隙；最后利用遺傳優(yōu)化算法，根據(jù)對(duì)帶隙的要求，搜尋二維液-液聲子晶體原胞最優(yōu)的材料布局。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103246767SQ201310150440
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者吳斌, 劉宗發(fā), 何存富 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)