基于1维石灰岩/硅橡胶声子晶体的振动控制研究

采用集中质量法计算了1维石灰岩/硅橡胶杆状声子晶体的带隙情况,系统分析了该声子晶体模型的结构参数和材料参数对带隙的调控规律.研究表明:结构的晶格常数增大时,带隙频率趋向低频率区域,带隙宽度变窄;增大两种材料的密度差值,或者增大两种材料的弹性模量差值,能够获得低频、宽带带隙;调节硅橡胶的厚度或组份比t也可以获得低频、宽带带隙,当t=0.426时,第1,第2带隙的起止频率下降到中、低频率1kHz以内;材料的泊松比变化对带隙影响可以忽略.总体而言,1维2组元石灰岩/硅橡胶杆状声子晶体具有中、低频率段的禁带特征,通过调节其相关参数可以实现不同的振动控制要求,对利用该声子晶体制备中、低频率段的弹性波/声波滤波振动控制器件具有一定的理论意义.     

黏弹阻尼对一维杆状声子晶体能带结构频移的影响

为了明确黏弹阻尼对声子晶体能带结构的影响,根据黏弹材料的标准线性固体模型,利用平面波展开法的迭代算法对一维黏弹材料声子晶体的能带结构进行了理论计算和对比分析。与弹性模量为常数的完全弹性材料相比,黏弹材料由于其复模量的频率相关性,储能模量和损耗模量对声子晶体的能带结构都有重要影响,特别是损耗模量对声子晶体能带结构的影响在阻尼峰值附近的频率范围不容忽视。位于此频率范围的能带被调向更高频而其他范围的能带基本不变,从而使能带下方带隙增宽而上方带隙变窄。损耗模量对能带结构的这一特定调节作用为黏弹性阻尼材料应用于声子晶体提供了一定的理论基础,也为获得宽频带隙提供了一种新的方法。     

六韧带手性结构的能带特性

针对中低频段,基于周期结构的Bloch定理以及有限元理论,对六韧带手性胞元的频散特性进行了研究,得到了胞元的能带结构.同时分析了胞元的几何参数与节点填充材料对手性结构能带的影响.结果表明,当振动频率处于带隙范围内时,手性结构具有良好的衰减特性;几何参数对低频带隙有很大的影响,合适的参数可以使结构在特定频率出现带隙;而填充材料的加入可使结构在更低的频率产生带隙.这些研究结果将有助于指导手性结构在工程中的应用.     

基于磁流变液的共振腔周期结构吸声特性研究

以实现低频可变频噪声控制为目标,研究了声波在填充磁流变液的共振腔周期结构中的传播特性。首先利用Biot理论和声电类比法建立了声波在该结构中传播的理论模型,计算声波传播的传递损失;然后通过COMSOL有限元仿真验证了传递损失曲线的正确性;最后通过数学模型求解并分析了外加磁场对改变结构参数调节吸声工作频率的影响。外加磁场强度增加时,共振腔周期结构的带隙中心频率向高频移动,变频范围为394 Hz;最小传递损失峰值为28.56 dB;腔体体积、颈部长度减小,颈部截面积增大使带隙中心频率向高频移动。该结构低频吸声效果良好,外加磁场对该结构有良好的变频调控作用,随着外加磁场强度增加,结构参数变化产生的变频效果略有增加。     

嵌入圆环结构薄膜材料的声传输特征及应用

针对嵌入圆环结构薄膜材料基本单元,基于声传输特性以及带隙构成特点,研究了该结构在低频范围内的减振效果。研究了基本单元的隔声频响和带隙,分析了其圆环大小、高度、厚度等参数对隔声频响的影响规律。结果表明:随圆环大小而改变的隔声曲线交错较好;随圆环高度增加,隔声曲线各阶波峰对应频率都向低频方向偏移;随圆环厚度增加,隔声曲线各阶波峰对应频率都向高频方向偏移。将两个大小不同的圆环叠加,在低频范围内隔声范围线性叠加,隔声范围增加。     

密度对一维铝/硅橡胶声子晶体低频带隙的调控

选用金属材料铝和非金属材料硅橡胶,设计出一维铝/硅橡胶声子晶体结构.采用固体物理学中的集中质量法,基于MATLAB编程计算该声子晶体的能带结构.通过单一改变结构中材料铝的密度或者单一改变材料硅橡胶的密度,寻找单一材料密度变化对结构第1带隙的影响规律.结果表明：一维铝/硅橡胶声子晶体的第1带隙起始频率较低为30.6994 Hz,第1带隙带宽为45.479 Hz;当增大结构中两种组合材料的密度差值,可调节结构获得相对的低频、宽带带隙.研究结论可应用于低频率振动控制器件的设计.     

铁电180°畴超格子中的子能带

研究了铁电180°畴超格子中畴子对导带底电子特性的影响.这种影响将导致在这种结构中形成电子子能带,从而影响材料的电子特性.电子有效质量的增加将使子能带向畴子低频所形成的子能带方向移动.     

Winkler地基上周期性Euler梁的弯曲振动能带特性

 利用传递矩阵法并结合Bloch定理,分析了周期性Euler梁在Winkler地基上的弯曲振动能带结构,以及地基参数、结构参数对弯曲振动带隙的影响。结果表明,Winkler地基的存在,使得周期性Euler梁的弯曲振动能带结构向高频方向提升,第1弯曲振动带隙从0Hz开始,且随着地基反应模量的增加,第1弯曲振动带隙宽度增大,第2弯曲振动带隙宽度减小;随着长度率的增加,梁的第1弯曲振动带隙和第2弯曲振动带隙宽度均减小。与均质Euler梁对比,周期性Euler梁在Winkler地基上具有更好的隔振特性,对低频弯曲振动有较好的阻隔效果。     

超结构夹芯板及其低宽频振动带隙机理

针对厚板类结构的低频减振问题,将超材料/结构概念引入夹芯板中,提出了一种夹芯型超板——超结构夹芯板,其结构主要由夹芯型周期基板和内嵌于其中的夹芯型周期振子组成,具有轻质、高刚度、厚尺度和低宽频振动带隙特性。对其减振机理进行理论研究发现:夹芯型周期基板的振动模式与夹芯振子的振动模式依据模态叠加原理分别主导系统响应,当二者的主模态相互耦合时,振子通过抑制夹芯型周期基板的主模态,使夹芯型超板中不产生波传播模式,形成振动带隙;夹芯振子的刚度模式是影响带隙特性的主要因素,当其为混合刚度模式时,可实现带隙位置和带隙宽度一起调节,形成低宽频振动带隙。仿真结果表明:所设计的夹芯振子具有串并联刚度特性,致使振子中出现了两种刚度模式,分别对带隙位置和带隙宽度同时进行调节,最终于低频处将完全带隙扩宽了7倍。实验结果表明,所提出的夹芯型超板集夹芯板与超材料/结构二者优点于一体,实现了力学承载和低频带隙减振的统一,具有较好的低宽频减振特性,为厚板类结构的低频减振提供了新思路与方法。     

嵌套型开缝圆管声子晶体的带隙影响因素研究

针对开缝管声子晶体结构的带隙起始频率较高和带隙不易调节的问题,基于亥姆霍兹共鸣效应,提出了一种嵌套型开缝圆管声子晶体结构,为了研究该结构的带隙影响因素,根据Bloch定理和Helmholtz方程,利用有限元法对该结构的禁带和透射系数进行了数值计算并搭建实验台进行了实验验证,获得了在晶格常数不变情况下该结构的带隙影响因素和禁带调节方法。研究结果表明,嵌套型开缝圆管结构具有低频禁带特点,能够在500Hz左右得到宽禁带。在晶格常数恒定的条件下,内管缝向和位置参数对结构的低频禁带具有有效的调节作用,能够将低频禁带起始频率降低到250Hz,其原理为产生并增强亥姆霍兹共鸣效应,因此这种禁带调节方法在声子晶体制备后仍然能够实现多频段、宽频带的带隙调节。同时,玻璃棉能够有效地增强嵌套型开缝管声子晶体结构的吸声性能,并对拓宽禁带有积极的效果。该研究成果为开缝管声子晶体的禁带调节提供了理论依据和有效方法,在低频噪声控制方面具有潜在的应用前景。     

基于电流变液材料的二维可调控声子晶体弹性波斜入射的能带结构研究

采用平面波展开方法,计算了弹性波斜入射下正方排列的环氧树脂圆柱在电流变液基底材料中组成的二维声子晶体的能带结构.分别研究了不同的弹性波斜入射沿轴向波矢和电场强度对能带结构的影响,结果发现调节晶格常数a和沿轴向波矢kz,使得a≥λz,随着斜入射角度增大,第一相对完全禁带变化不大,从而解决弹性波斜入射角度的增加致使整个带结构向高频运动导致目标禁带消失的问题.     

Winkler弹性地基上声子晶体梁带隙特性

 研究弹性地基上声子晶体梁的振动特性对于工程中的减振、隔振有一定指导意义.为揭示弹性地基上声子晶体Euler梁的振动特性,采用Euler梁理论、Winkler地基模型,通过有限元法计算出Winkler地基上声子晶体Euler梁弯曲振动能带结构.并与无地基作用下的声子晶体Euler梁能带结构的计算结果比较,揭示出地基约束对声子晶体Euler梁弯曲振动带隙的影响规律.同时,考虑材料的组分比对带隙的影响,结果体现出模型的振动衰减第一带隙范围及第二带隙范围的变化趋势.     

铁电180°畴超格子中的子能带

研究了铁电１８０°畴超格子中畴子对导带底电子特性的影响，这种影响将导致在这种结构中形成电子子能带，从而影响材料的电子特性，电子有效质量的增加将使子能带抽畴子低频所形成的子能带方向移动。     

黄铜矿MgGeP2的几何结构，弹性性质和热学性质的研究

利用第一性原理的密度泛函方法对MgGeP_2结构性质,弹性性质和热力学性质进行了系统的研究,得到了平衡态的晶格常数,能带带隙,弹性系数和其他相关的热力学参数.通过对结果进行理论分析发现:MgGeP_2在零压下属于直接带隙半导体,带隙值为1.522eV.而弹性性质计算说明MgGeP_2是各向异性且具有良好塑性的材料.在0~40GPa的压强和0~800K温度范围内,利用准谐德拜模型理论计算了热膨胀系数,热容CV和Cp,熵和德拜温度随压强和温度的变化趋势.     

一维铝/铅匀直杆状声子晶体带隙特性分析

通过单一改变组分材料铝或者铅的密度,以及单一改变晶格常数的取值来调节一维铝/铅匀直杆状声子晶体的带隙分布情况.结果表明:该声子晶体中,当单一增大每种材料的密度时,散射体与基体材料的密度差值增大,其入射波散射就更为强烈,也就越容易产生低频带隙;当单一增大声子晶体的晶格常数,即增加复合结构的长度时,入射波散射得就越多,透射波就越来越少,该声子晶体带隙便呈现出向低频率区域靠近的特性.     

变截面消声管道耦合Helmholtz腔结构的声学性能

基于局域共振理论与管道消声理论,设计了一种变截面消声管道耦合Helmholtz谐振腔的声学超材料结构,并运用COMSOL软件进行仿真研究.在此基础上,探讨了变截面声学超材料结构的几何参数对吸声系数峰值的影响,运用声学试验测试了该声学超材料结构的声学性能.结果表明：该变截面声学超材料结构在低频范围(200～600 Hz)内可实现良好的吸声效果;通过改变管道小孔的截面半径,可以实现声学超材料结构固有频率的定向调节;与普通Helmholtz腔相比,该声学超材料结构的吸声系数峰可在一定低频范围内移动,提高了结构在低频范围内的吸声效果,拓宽了吸声系数峰值对应频率的范围;声学超材料结构的几何参数得到了优化,具有良好的吸声效果.     

环境对窄锯齿型石墨烯纳米带中边界带的影响

在描述自旋轨道耦合的紧束缚Kane-Mele模型的基础上,我们通过改变边界处原子间的跃迁系数来模拟环境对石墨烯纳米带边界带的影响.理论研究结果显示,对双边跃迁系数同等调控时,随着跃迁系数的增大,两个边界子能带的费米波矢都在向0.5靠近,能隙线性减小.进一步研究表明,通过单边调控原子间的跃迁系数,可对相应边界子能带的结构参数进行调控.     

用传递函数法研究三谐振局域共振的能带结构

利用传递函数研究局域共振声学超材料能带结构的形成,得到一维局域共振周期结构的递归方法.用传递函数的表达式确定有限超材料中带隙形成的机制.将有限声学超材料动力学分析与无限长超材料布洛赫定理分析进行比较,表明了用传递函数法计算带隙的正确性,得出系统极点作用产生了带隙和通过传递函数法改变原胞数目来调控带隙范围的结论.     

平面波展开法计算一维光子晶体能带

通过计算光子晶体的特性,寻找符合要求的的光子晶体微结构是制作光子晶体的必要环节。本文利用平面波展开法研究了无限周期一维光子晶体的能带结构。通过一维光子晶体在不同角度传播时的能带结构可以看出,TE模和TM模能带结构随着传播角度的变化趋势却并不相同：在00到450范围内,TE模的第一带隙宽度变化不大主要是位置有些移动;而TM模的除了第一带隙的位置移动外第一带隙的宽度也明显在逐渐减小,尤其在450时第一带隙完全消失,这样在450附近一维光子晶体就会出现明显的偏振现象。这与用特征传输矩阵法所得到的结论是一致的。     

温度变化对一维声子晶体带隙的调控分析

设计出基体材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT),散射体材料为钛酸锶钡(BST)的一维声子晶体匀直杆.因为组成该结构的2种材料的弹性模量和泊松比都与温度相关,温度的改变将引起材料物理参数的变化,从而导致晶体中弹性波带隙结构的变化.采用集中质量法,仿真计算该声子晶体中温度分别为30℃和45℃情况下,2种结构的带隙分布情况,寻找相应的变化规律。研究表明:对于一维二组元BST/PBT匀直杆状声子晶体结构,随着结构温度由30℃增大为45℃,该声子晶体的第1带隙及第2带隙的起始频率、截止频率以及带隙的中心频率降低;同时,温度增大能够减小第1带隙的带隙宽度,增大第2带隙的带隙宽度。温度变化为调控声子晶体的带隙特性提供了新的设计思路。另外,基于温度变化还可以通过改变结构晶格常数的取值来获得所需的带隙.