二维三元周期复合结构的声带隙特性

研究了二维三元周期复合结构的声带隙特性.三元周期结构的组成为:基体+二元嵌入体,二元嵌入体的构成为:"硬"材料(有较大的密度和声速)柱体外包一层\\"软\\"材料(有非常低的密度和小的声速).由于声波在二元嵌入体环形区域的局部共振,而且环形区的密度很低且声速很小,使声带隙出现在较低频段.分析了"包层\\"材料特性以及复合材料的结构参数对禁带产生的影响.     

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.     

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.     

弹性波与周期介质相互作用及声子晶体研究现状

声子晶体是一种新型的声学功能材料,对声子晶体的研究引起了人们极大关注。介绍了国内外声子晶体的研究状况,分析了声子晶体研究中存在的问题,阐述了声子晶体的某些概念、特征和基本研究方法,强调了由于禁带和缺陷态的存在可以有效地控制周期介质中声波的传播,讨论了声子晶体研究的未来发展方向．     

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.     

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。     

声散射问题的一种新的无限元方法

声波在无限大外域中的传播和衰减问题是研究声与结构相互作用的重要基础.本文提出了一种新的声无限单元耦合有限元方法于外域声散射问题的计算.应用加权残值法推导了声无限单元的刚度矩阵和质量矩阵，选取的形函数及权函数充分考虑了外域声传播的基本特点及无穷远辐射边界条件.计算实例表明这种方法对于求解无界域声场问题是非常有效的.     

声子晶体滤波特性研究

声子晶体的滤波特性引起了科技工作者的广泛关注.在二维三组元局域共振声子晶体中,通过引入两种不同填充率的共振单元分别位于规则的六角形的角顶和中心构成的缺陷态波导结构,以此为基础构建声子晶体相应的实验模型,然后基于Comsol仿真平台,模拟特定频率的声波激励声子晶体过程,计算声子晶体幅频响应函数。仿真结果表明,声子晶体可以方便设计出新型的高效、声滤波器。     

一维四组元周期性结构光子晶体带隙特性分析

随着密集波分复用(DWDM)技术的发展,对多波长滤波器提出了更高的要求。为了给基于一维光子晶体的多波长滤波器提供支撑技术,本文先对一维四组元周期性结构光子晶体的传输矩阵进行简要的推导。接着,从该光子晶体的结构出发,基于传输矩阵法绘制了一维四组元周期性结构光子晶体的归一化透射率曲线,并与普通的一维两组元周期性结构光子晶体的归一化透射率曲线进行对比研究,分析了一维四组元周期性结构光子晶体在一个禁带周期内光子禁带数增加的原因。进而,从一维光子晶体的光子带隙机理出发,深入研究了不同折射率比、不同周期数对一维四组元周期性结构光子晶体带隙的影响。研究表明,一维四组元周期性结构光子晶体的禁带宽度由四层材料各相邻层的折射率差共同确定,具体宽度表现为各禁带的均值,但带隙特性更加完美。     

二维声子晶体带隙影响因素研究

通过平面波展开法研究二维声子晶体能带结构的特性,并比较了六角与四方排列声子晶体中,不同填充比对禁带宽度的影响.通过数值计算,找到了W-Si体系声子晶体中可以获得最宽禁带的填充比与排列方式.     

非周期结构声表面波滤波器的COM参量提取

修正了无限周期栅格阵下表面声波模式传播的周期格林函数理论 ,引入了全新的在整体周期性结构中考虑畸变指条性质的方法 ,精确提取了非周期结构声表面波滤波器的COM参量     

声学腔内声波隧穿效应的研究

从理论和实验两个方面研究了构建的声学谐振腔系统中的声学局域态和隧穿效应,该系统是由两个完全相同的一维声子晶体和一个可调控的间隔层构成.系统中的间隔层即为声学谐振腔层,它与量子系统中的电子双势垒结构具有相似性.在理论上,利用数学中的近似方法得到声波在声学谐振腔系统中声学局域态的本征频率和衰减因子的周期性变化行为以及声波随谐振腔层厚度变化的声学隧穿效应规律.在实验中,构建了连续可调的谐振腔声子晶体系统,通过改变此系统中腔层的厚度,在声波能谱中观测到一些分立的由高频向低频方向变化的透射点以及在不同腔层厚度所对应的禁带边缘透射峰之间区域中出现的一定周期性差异的透射峰行为,以上结果揭示了声波能量在能带中的周期性耦合过程和入射声波在系统中的隧穿动力学行为等特性.实验观测与理论计算结果完全一致.     

二组元声子晶体综合带隙算法及带隙参数规律研究

在研究声子晶体能带结构的算法方面,分别使用平面波展开法和时域有限元法对声子晶体的能带结构进行计算,并将两种算法得出的禁带结果进行对比研究。根据带隙图的差异分析说明了单一方法可能的不足,同时发现了计算结果最准确的区域是通过两种算法计算所得结果的重合区域,所以使用两种方法相结合的带隙算法,讨论了二组元材料参数和填充率对禁带的影响。研究发现散射体密度与基体的密度的比值越大,禁带的宽度就越宽,散射体相比于基体,对禁带的影响更大;增大填充率时禁带宽度变宽,大到一定程度时禁带宽度变窄。     

转移矩阵方法与一维声子晶体的带结构

声子同物质（比如液体、气体或细长竿等）相互作用可以归结为声子在不同＂声阻抗＂场中运动。所谓声子晶体就是物质的声阻抗周期变化的晶体。当声子在这种介质中运动时,它的能量（频率）将分裂成带。利用转移矩阵方法分析了声阻抗呈阶跃型分布的一维声子晶体带结构,讨论了系统的稳定性、禁带宽度。结果表明,材料的禁带特征与它的参数有关,只需适当选择介质或适当调节介质参数就可以得到不同声学性质的声子晶体。     

周期自由阻尼设计板结构振动与声辐射特性分析

为了探究更高效的阻尼减振降噪结构设计,基于阻尼减振降噪技术和人工周期结构原理,开展了周期自由阻尼设计的板结构振动与声辐射特性研究。首先,建立了板结构声振响应有限元仿真模型;其次,对比了周期自由阻尼设计与传统自由阻尼设计的板结构振动与声辐射特性差异,并分析了不同参数变化对周期自由阻尼作用效果的影响;最后,开展了相关实验研究与仿真规律验证。结果表明：相比于传统自由阻尼设计,周期自由阻尼设计可以获得更好的减振降噪效果,且有助于实现阻尼结构的轻量化设计,但也会改变结构的声辐射效率;选用高弹性模量的阻尼材料、合理设计阻尼单元形状和适当减小阻尼单元截面积都有助于提高周期自由阻尼设计的性能,而阻尼单元粘贴角度的变化对其作用效果的影响较小;实验结果验证了仿真规律的可靠性。     

深海海底斜坡环境对声传播规律的影响

海底地形变化对声传播具有重要影响.针对在南海深海区域海底斜坡环境下进行的一次声传播实验中观测到的一些不同于平坦海底的声传播现象,利用射线声学方法分析并解释了海底地形变化引起声传播差异的原因.结果表明,当声源深度位于131 m处时,在第一影区内,海底斜坡前较小幅度的海底山丘(凸起高度小于1/10海深),对第一次与海底作用而入射到该小海底山丘处的小掠射角(绝对值在10°–20°范围内)声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离上出现影响深度可达海面以下1300 m的倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 dB.在第一会聚区内,海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的小掠射角(绝对值小于10°)声波所形成的会聚区结构消失,只保留从水体向上折射的会聚结构.因此,准确的海底地形对深海声传播预报及目标探测等应用非常重要.     

二维声子晶体板的声波能带结构

采用基于超元胞的平面波展开法研究了二维声子晶体板的声波能带结构,分析了二维声子晶体板的几何参数(板的厚度,圆柱体的半径和高)对声波能带的影响.研究结果表明：该声子晶体具有更优的带隙,带隙的调节机制更为简单,超元胞法是研究这一类声子晶体能带结构的一种有效方法.     

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。     

用二维谱技术研究相控线阵声波辐射器在充液井孔中产生的声场

采用二维谱技术对充液井孔中的相控线阵声波辐射器的辐射特性及其产生的声场进行了数值研究. 结果表明， 在频率波数域中可以清楚地把在时间空间域中难以分开的模式分辨开来. 相控线阵声波辐射器的阵元个数、阵元高度以及相邻阵元间激励信号的延迟时间等参数可以控制辐射声束的角宽和辐射声束的偏转角. 增大井孔中的相控线阵声波辐射器的相邻阵元间的激励信号的延迟时间，可以使相控线阵辐射的声束入射于井壁上的指向角不断变大，先后满足滑行纵波临界折射和滑行横波临界折射条件，从而使充液井孔中的滑行纵波和滑行横波分别得到加强. 在井孔中采用相控阵声波辐射器可以提高声波勘探的空间分辨率和信噪比.     

茅山军号声现象的进一步研究

提出了声学负反射的概念,以解释茅山军号声现象的物理机制.首先建立平面声波在周期台阶状边界上的反射模型,利用边界扰动的方法,给出了该问题的精确解.发现在共振区域,即周期结构间距和声波波长在同一量级时,只有小部分声能沿着镜面反射的方向反射,而大部分反射声能在入射方向的同一侧.特别在满足布拉格共振条件下,一些频带内的声音能全部沿逆入射方向返回.此现象类似于光学的闪耀光栅效应,称其为声负反射.应用此概念,给出了基于衍射近似的回声频谱与实验结果不符的原因,解释了为何在台阶前广场的中轴线上能听到最响亮的军号声.军号声的6个音符是由6组台阶相继反射而产生.根据光栅反射的特点,对于给定观测点,爆炸声丰富的频率成分中只有某些特定频率才能被接收到,周期台阶的空间滤波作用使得回声不再是原来的爆炸声.进一步证明了这些频率成简单的整数比,所以最终听到的是富有节奏感的军号声.利用光栅方程和具体的台阶数据,还预测了6个音符的基频和泛频,与实验测量符合较好.