● 摘要
弹性波在周期性弹性复合介质中传播，与介质内部结构相互作用，产生与光子
晶体类似的通带、禁带、缺陷态等现象，引出声子晶体的概念。对这类带隙特性
的探索在声子晶体研究领域中具有重要的理论与应用价值。研究声传输过程中的
能量变化规律有助于认识声子晶体中声波与晶体内部结构相互作用机理，对于声
子晶体的在减震降噪、声功能器件、声波聚焦等方面的应用具有现实意义。
肌肉长时间进行连续反复的收缩运动，在一段时间后运动所需肌肉张力和收
缩力减小，肌肉的运动无法持续保持相同活力的现象[1]称为肌肉疲劳。肌肉疲劳程
度可作为肌肉损伤、体育训练、肌肉疾病等方面的一个重要评估参数。肌肉的主
要组成成份为肌纤维，纤维和纤维之间由结缔组织联系在一起。肌纤维数目很多
并且具有收缩能力，担负着机体的运动机能(动物体的运动、消化道的蠕动)，一般
为长圆柱状，沿细胞纵轴平行、有规则的排列。肌肉组织内部可以近似的看做由
肌纤维与结缔组织有序的排列组成,类似周期排列的声传输介质。本文通过研究弹
性波在肌肉组织中的传输效应，利用周期二维声子晶体结构声能量传输规律，研
究肌肉疲劳的评估方法。
本文研究内容包括：基于时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，简
写为FDTD)，研究声子晶体的通带及禁带声能量传输规律；并进行肌肉组织疲劳过程
的声传输效应研究。本文的主要工作：
(1)利用FDTD 算法研究声子晶体声能量传输特性。根据声场中能量与振动的
关系，通过振动参数表示声传输过程中能量的传输特性。控制复合材料的周期组
成，分析禁带频率声波通过周期介质传输后能量损失情况；利用单一频率声波在
晶体内部的能量传输特性，研究禁带频率声波与通带频率声波在周期介质中的传
播。结果在禁带频率范围内声波能量在一段时间内衰减较快，较长时间过后幅度
下降变慢，最终导致其总振动时间要长于通带频率声波。禁带频率波在介质中传
输，振动时间的输出加长。
(2)基于二维声子晶体声能量传输规律研究，分析骨骼肌疲劳过程的声学效应。
根据骨骼肌疲劳理论分析，得出肌肉在逐渐疲劳过程中，肌肉内部纤维的填充率
变小、硬度逐渐变大；利用二维声子晶体结构，仿真肌肉模型，分析疲劳状态下
仿真肌肉参数变化情况，通过FDTD 算法研究肌肉疲劳过程的声学效应。在骨骼
肌逐渐疲劳过程中，传输到肌肉内部的弹性波中心频率会向低频逐渐偏移。
II
对于理论分析以及仿真研究所得结果，本文也通过具体实验进行了验证。利
用超声探头发射、接收声波信号，记录弹性波穿过逐渐疲劳肱二头肌后的声波信
息，通过FDTD 算法得到声波传输参数，进行频谱分析得到声传输频率响应曲线。
利用B 超实时记录肌肉内部结构变化情况。通过骨骼肌疲劳过程的声学效应研究，
为无损伤的判断肌肉损伤程度提供理论和技术依据。