声子晶体在空腔板件振动控制中的应用研究

建立了局域共振声子晶体板状结构,在266.1~528.8 Hz频率范围内获得了最大幅值为35 dB的减振特性。对不同布置形式的声子晶体板进行了仿真和试验分析,二者结论基本一致。构建了局域共振声子晶体结构空腔,并结合有限元方法对空腔结构进行模态分析、带隙机理和共振带隙特性分析。得出声子晶体单元的不同布置位置和形式对声子晶体结构空腔的振动固有频率的影响。     

一种双局域共振型压电声子晶体梁的带隙与振动衰减特性

通过在环氧树脂梁上周期性黏贴压电层,并连接含有两个分支的谐振分流电路,构建了含压电分流电路的声子晶体梁结构。使用传递矩阵法(TM)计算压电声子晶体梁的带隙特性,发现这种压电声子晶体梁结构可产生两个局域共振带隙,并且这两个局域共振带隙都可以通过改变电路参数来调节位置和带宽等,这就可以很方便的对两个频段的弹性波的传播进行控制。采用有限元仿真分析计算压电声子晶体梁的振动传输特性,仿真结果验证了理论分析的正确性。研究结果为压电智能型声子晶体的波传播控制提供了一种新的手段。     

梁板型声子晶体带隙特性及列车减振性能研究

基于局域共振型声子晶体的物理特性,在车体夹层板的基础上设计出由基体板、橡胶和散射体组合而成的贴附型/填充型梁板声子晶体。通过数值仿真方法从带隙特性、振动传递特性以及模态振型等方面阐述减振机理,进一步探究结构/材料参数对带隙特性的影响。研究结果表明：贴附型局域共振声子晶体由于上下面板与橡胶及铅块共振单元的耦合共振,可产生中低频弯曲带隙(77～172 Hz);填充型局域共振声子晶体内橡胶层包裹的铅柱共振单元以不同相位实现面内振动的动态平衡,可产生中低频面内带隙(117～172 Hz);有限阵列结构对实车关键部位的振动具备较为理想的衰减作用。调整声子晶体结构参数可使其带隙中心频率与目标减振频率范围一致,有助于实现车体多部位减振优化,进而验证其在车体中低频减振降噪应用中的可行性。     

声表面波声子晶体中的能带结构及带隙类型

声表面波声子晶体对于实现声表面波的精确操控有着非常重要的应用价值.针对两大类最为主要的声表面波声子晶体的结构类型,即:"凹陷"孔洞阵列型和"凸起"柱体阵列型,采用三维有限元方法,数值计算并获得了基于压电铌酸锂基底的声表面波声子晶体的能带结构,同时验证了声子晶体中所具有的声表面波带隙,并进一步分析了这两大类声表面波声子晶体中的各种本征模式所呈现的特征.结果表明,在这两大类声表面波声子晶体中,均可以存在由于带边布拉格散射导致的声表面波的部分(方向)带隙甚至全(方向)带隙;在"凸起"型声表面波声子晶体中,更是存在由于"凸起"结构中的局域共振而导致的局域共振带隙.局域共振带隙的频率可以远小于布拉格带隙所具有的频率,同时,其频率范围仅由局域共振体本身的几何形貌及声学参数决定,而与声子晶体整体的晶格常数或对称性无关.     

无限周期声子晶体全反射隧穿效应的机理研究

建立了一维无限周期声子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出全反射隧穿导带频率满足的解析公式,从理论上解释了一维无限周期声子晶体全反射隧穿效应产生的物理机理.利用频率的解析公式对全反射隧穿导带的频率随导带级数、腔厚度以及入射角的变化规律进行了研究,圆满地解释了一维无限周期声子晶体的全反射隧穿效应的变化规律.并且将共振理论的结果与色散法的结果进行比较,其结果完全吻合.     

声子晶体板中低频宽禁带的形成机理

针对局域共振型声子晶体在低频处难以实现宽禁带的问题,提出了一种新型声子晶体结构并探究了声子晶体板中低频宽禁带的形成机理。该结构由互置型振子周期性阵列于一个二维二组元声子晶体板两边构成,采用有限元方法对其禁带特性和禁带形成机理进行理论研究发现:板波模式与振子的振动模式依据模态叠加原理,通过主导系统主模态的方式,影响着禁带的形成;当振子与基板二者主模态一致时,相互发生耦合,振子通过强烈抑制基板主模态,使的板内无波传播模式,进而形成面内、面外两种宽频子禁带;振子的振动模式是影响禁带宽度的决定因素,当其为整体振动模式时,对基板主模态的抑制作用最大,形成宽频禁带。仿真结果表明:新型声子晶体板中振子的振动模式被引入的互置型振子调节,致使振子出现了两种整体振动模式;两种整体振动模式分别对面内和面外子禁带进行单独调节,进而使禁带在大致相同的低频范围内被同时扩宽,最终重叠生成了一条带宽为599Hz的宽禁带。该研究突破了局域共振型声子晶体在低频处难以形成宽禁带的局限,可为声子晶体在工程结构低宽频减振中的应用提供理论基础和方法指导。     

声子晶体导线的振动带隙特性

为了解决超、特高压输电线路的舞动问题,提出了一种由导线、间隔棒、弹簧振子组成的声子晶体导线。基于导线的振动微分方程与Bloch理论,建立了计算声子晶体导线振动能带结构的传递矩阵法,进而通过计算发现声子晶体导线在舞动常发的频率范围内具有局域共振型带隙特性。为了验证该带隙特性,以四分裂导线为例,应用有限元法计算了有限周期声子晶体导线的振幅和频率响应特性。结果表明,在带隙的频率范围内导线振动响应具有明显衰减,为输电线路减振防舞提供一种新思路。     

三角阵列超材料的声传播特性

为了使声波产生不同于传统天然声学材料的反常传输特性,采用COMSOL有限元方法模拟了声波在局域共振型声子晶体中的传播特性,给出了二维三组元局域共振型声子晶体的振动机制,并以原胞为基础构建了三角形阵列的声学超材料模型,探究声波与该模型内原胞间的局域共振特性。仿真结果表明,从三角阵列模型底边入射的平面点状及线状激励声源在受到模型的调控后都会重新在顶角处汇聚成焦点;通过入射由三角阵列构成的矩形模型能实现点源的低损耗搬移效果;将两至三个相同的三角阵列组合成平行四边形和梯形模型后会产生平面声波的变向传输。模拟结果显示,此种以原胞为基础的三角形声学超材料阵列模型,在共振频率下会产生反常声学现象,并且随着模型构造的改变,其共振特性也会随之变化,产生不同的反常声学现象。研究结果可为声隐身、声探测及声波低损耗定向传输等研究提供新思路。     

声子晶体板中低频完全禁带形成机理研究

针对固体基局域共振型声子晶体中难以出现100Hz以下的完全弹性波禁带问题,提出了一种新型声子晶体板,其结构由锥形复合散射体周期性阵列于一个二维二组元声子晶体板两边构成。采用有限元方法对其禁带特性和禁带形成机理进行理论研究,获得了声子晶体板中低频完全禁带的形成机理以及禁带调节规律。研究发现,不同形式的板波模态与对应的局域共振模态依据模态叠加原理相互耦合生成面内、面外两种禁带,二者叠加形成完全禁带;散射体振子的等效弹簧质量系统耦合是难以产生低频完全禁带的主要原因。研究结果表明:新型声子晶体板中散射体振子的等效弹簧质量系统可被引入的橡胶填充体解耦,致使面内、面外禁带分离;引入的锥形复合散射体可使相互分离的面内、面外禁带被同时单独调节至低频发生重叠,最终生成了一条频率范围为59~103Hz的低频完全禁带。研究结果和结论可将声子晶体应用于工程结构低频减振中。     

声波在声子晶体中的Zener共振遂穿效应

应用转移矩阵方法,研究了由两个全同声子晶体构成的可调谐声学谐振腔中声波的共振遂穿效应,其遂穿过程类似于量子力学中的Zener共振遂穿效应.通过改变声波谐振腔的长度,研究了声子晶体的带隙中声波遂穿的动力学过程.结果表明:不同带隙具有不同的遂穿特征,遂穿频率随着谐振腔的增加呈周期性振荡变化的规律.     

一维声子晶体应用探索

声子晶体的带隙特性、缺陷态特性和特殊的声学特性具有重要的理论价值和应用价值.文章对声子晶体的基本概念和特征进行简要概述,总结分析一维声子晶体在振动控制、噪声控制、抗振防震、声波控制四个应用探索方面的研究成果,为深入一维声子晶体的应用研究提供依据.     

一维声子晶体应用探索

声子晶体的带隙特性、缺陷态特性和特殊的声学特性具有重要的理论价值和应用价值.文章对声子晶体的基本概念和特征进行简要概述,总结分析一维声子晶体在振动控制、噪声控制、抗振防震、声波控制四个应用探索方面的研究成果,为深入一维声子晶体的应用研究提供依据.     

频率对二维声子晶体平板负折射成像的影响

以二维钢/空气三角排列声子晶体为模型,利用多重散射方法分析声子晶体平板负折射成像过程中声波频率与等效负折射率、入射角的变化关系。研究结果表明:平板负折射成像与声波频率及波的入射角度密切相关;对不同的入射波频率,平板的等效负折射率不同,且随着频率增加,等效负折射率绝对值变小;对于确定的晶格结构,只有在确定的频率范围、确定的入射角范围内,才能发生明显的负折射现象;对于某一确定的入射波频率,平板负折射存在一个最大入射角,且随着入射声源频率的增加,这个最大入射角变小,入射波耦合进入声子晶体平板的信号减弱,进而影响像的强度和清晰度。     

声子晶体应用基础研究概述

声子晶体的带隙特性、缺陷态特性和特殊的声学特性具有重要的应用价值。文章对声子晶体的基本概念和特征进行简要概述,总结了国内外声子晶在应用基础研究方面的成果以及国内有关声子晶体方面的专利发明情况,为深入声子晶体的应用研究提供依据。     

基于多重散射理论的二维声子晶体带结构计算

二维固体结构声子晶体如平板、板壳在结构材料的减振、降噪方面有广泛的应用,研究二维固体结构声子晶体的禁带特性,对减振、降噪结构材料及声学滤波器的设计有重要的理论指导意义.用声子晶体带结构计算的多重散射理论,计算了二维碳一环氧树脂声子晶体的能带结构.结果表明,将波速较大的碳柱体按正方形周期排列放入到波速较小的环氧树脂中,在布里渊区两个主要方向上出现了完全禁带.     

一维花岗岩/丁腈橡胶声子晶体的带隙及其应用

 采用集中质量法计算了一维花岗岩/丁腈橡胶声子晶体的振动带隙,研究了集中质量数、晶格常数、组分比及丁腈橡胶的粘弹性对带隙的影响.结果表明,增加集中质量数能提高带隙精度,晶格常数及组分比对带隙结构有较大影响,而丁腈橡胶的粘弹性能增大带隙宽度.根据以上结论,对声子晶体的材料参数和结构参数进行了优化,设计出1种能屏蔽人耳最敏感的1.5~2.5 kHz噪声的一维声子晶体.     

一维铝/非金属、花岗岩/非金属声子晶体的带隙特点

运用集中质量法计算了一维铝/非金属、花岗岩/非金属声子晶体的振动带隙。结果表明:在相同条件下,铝、花岗岩与同一非金属组合成的声子晶体带隙几乎相同,而弹性模量、泊松比对带隙结构几乎无影响,带隙主要由这两种材料的密度决定。     

一维三组元准周期结构声子晶体的透射性质

构造了一维三组元类Fibonacci、广义Fibonacci准周期结构声子晶体模型,研究弹性波在其中的传播和局域行为.对弹性波通过一维三组元复合结构声子晶体的透射系数进行数值计算,并与一维二组元复合结构声子晶体的透射系数作比较.结果表明:一维三组元准周期结构声子晶体可以获得比二组元复合结构声子晶体更宽的带隙,而且在带隙内有丰富的局域模式存在;三组元广义Fibonacci准周期结构声子晶体可用于弹性波/声波滤波器件的制作材料.     

多相材料声子晶体微结构的拓扑优化设计

声子晶体的带隙特性可以通过调整其周期性的微结构来控制,具有很强的可设计性,因此在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值。通过遗传算法和拓扑优化技术研究了二维三相声子晶体的优化设计,并给出了三个算例研究。结果表明：三相材料能够得到更好的隔振效果;对比两相材料,三相声子晶体能够进一步降低禁带频率,并得到更大的相对带宽。可见,利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的。     

二维粗锐结构声子晶体带结构的计算

提出二维粗锐结构声子晶体模型,采用平面波展开法数值计算了不同体积填充率下二维正方粗锐和圆粗锐结构声子晶体的带结构.计算结果表明,利用粗锐结构的散射体同样可获得较宽的完全带隙,正方粗锐和圆粗锐结构的声子晶体最大带隙分别出现在体积填充率为f=0.3136和f=0.3216处.