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。     

局域共振型周期结构振动带隙形成机理

为了揭示局域共振型周期结构振动带隙的形成机理,以二维局域共振型周期结构为对象,依据动力学理论,提出了振动带隙形成的基础理论假设:振子和基体的振动模式,由其主模态主导,主模态依据模态参与因子通过模态切换形成不同的振动模式,并依此建立了振动带隙形成机理模型,研究发现:局域共振型周期结构中存在6种广义振动模式,各模式由基体的广义主模态主导,而广义主模态又由广义模态依据模态叠加原理形成,当被抑制时,广义子带隙形成。研究结果表明:振子广义主模态依据模态参与因子,通过抑制或释放基体的广义主模态实现振动带隙的打开与闭合;振动带隙特性主要由振子广义主模态的等效刚度和等效质量决定,通过设计振子可主动设计与调控结构的带隙特征。该研究不仅为工程结构的振动控制提供了新方法,为带隙的主动设计奠定了理论基础,也完善了周期结构的基本理论。     

声子晶体中声子频率带隙与散射截面的关系

用平面波方法,研究了Pb圆柱体在环氧树脂基体中按周期性排列构成的声子晶体中弹性波频率带结构,同时计算了弹性波在这种二维周期性复合介质中的散射截面,阐述了声子频率带隙与散射截面的关系.     

一维准周期结构声子晶体带隙特性的研究

提出一种层厚递变式一维准周期结构声子晶体模型,数值计算了弹性波通过该一维准周期结构声子晶体的透射系数,并与周期结构声子晶体的透射系数进行了比较.计算发现,利用准周期排列的特殊结构可以有效地调节声子晶体的带隙宽度和所在的频率范围.     

二维三组元局域共振磁振子晶体带隙结构的优化

采用平面波展开法,数值计算了二维三组元磁振子晶体的带结构、磁化强度场分布以及自旋波的态密度.研究表明,磁振子晶体带隙的产生机制为局域共振机制,而非布拉格散射机制,通过调节单散射体的共振结构,不仅能够使自旋波在低频范围内产生完全带隙,而且可实现自旋波带隙的优化.     

密度对声子晶体带隙的影响

从弹性波动方程出发,利用平面波展开法计算二维（三维）声子晶体的带结构,研究散射体与基体的密度比对最低带隙的影响,得出了最低带隙宽度和带隙边界随密度比的变化规律.数值计算结果显示随着密度比的增加,带隙下边界的频率降低,而上边界的频率升高,从而增加带隙宽度,且带隙能级不变.     

三维声子晶体带隙与散射体取向的关系

研究了散射体的取向对二组元三维声子晶体带结构的影响.应用平面波展开法计算了3种结构的三维声子晶体的带结构,结果表明：通过改变散射体的取向可以调节带隙大小,对于简立方和面心立方结构的声子晶体,最低带隙宽度随着散射体的旋转角的增加而减小,而对体心立方结构的声子晶体,最低带隙宽度随着散射体旋转角的增加而增加.     

一维声子晶体的振动特性研究

利用平面波展开法计算了6种不同材料组分的一维杆状结构声子晶体振动带隙,分别讨论了晶格的尺寸大小、两种复合材料的组分比以及材料的密度等对声子晶体振动带隙频宽的影响.结果表明:在晶体的晶格尺寸大小、两种复合材料(金属和非金属)的组分比不变的情况下,振动的第一带隙的初始频率随着金属密度的增大而减小,截止频率基本不变;当所选材料的组分比不变时,随着晶格尺寸的增大,一维二组元复合声子晶体的振动带隙的初始频率及截止频率减小,同时带隙的频宽也随之减小;而当材料组分比小于1时即所选金属材料的份数小于非金属时,随着金属材料量的增大,振动带隙的初始频率及截止频率减小,从而带隙的频宽也减小;而当材料组分比大于1时即金属材料的份数大于非金属时,振动带隙的初始频率增大,截止频率减小,以及带隙的频宽也随之减小.     

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。     

二维声子晶体的弹性波禁带及其影响因素

选取了5种不同材料组分和2组不同截面形状散射体的声子晶体作为研究对象,利用平面波展开法研究了二维固相双组分正方点阵声子晶体中z向剪切波的频率带结构,探讨了材料特性和截面形状对禁带的影响．结果表明：填充物的密度和弹性模量比基体的大时,容易产生弹性波禁带,材料的密度比剪切模量更能影响弹性波禁带的宽度,圆截面散射体的结构在总体上比正方形截面更容易产生弹性波禁带．     

方柱转动情况下二维声子晶体的声波带隙结构

用平面波展开法研究方形钨柱在环氧树脂基体中呈正方形排列和三角形排列时的带隙以及方柱转动对带隙结构的影响. 研究结果表明： 在相同的填充率下, 钨柱按三角形排列比按正方形排列更容易具有较宽的完全带隙;在任意的填充率下, 当钨柱按正方形排列时, 系统的最低完全带隙相对宽度随着转动角度的增加而变窄;当按三角形排列时, 系统的最低完全带隙相对宽度随着转动角度的增加先变宽, 后变窄;插入体的填充率越高, 方柱转动对系统带隙的影响越大.     

硅介电波导管的光子与声子双重带隙（英文）

通过平面波展开法,我们对一种特殊的硅介电波导管的声子能带结构与光子能带结构进行了理论研究.为了同时产生光子带隙和声子带隙,在通常的波导管结构中设计了一种周期性的桩型结构.研究发现：在适当的结构参数条件下,一个完整的声子带隙和特定极化对称性的光子带隙可以同时得到.     

Band gaps of elastic waves in 1-D phononic crystals with imperfect interfaces

Band gaps of elastic waves in 1-D phononic crystals with imperfect interfaces were studied. By using the transfer matrix method (TMM) and the Bloch wave theory in the periodic structure, the dispersion equation was derived for the periodically laminated binary system with imperfect interfaces (the traction vector jumps or the displacement vector jumps). The dispersion equation was solved numerically and wave band gaps were obtained in the Brillouin zone. Band gaps in the case of imperfect interfaces were compared with that in the case of perfect interfaces. The influence of imperfect interfaces on wave band gaps and some interesting phenomena were discussed.     

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。     

求解声子晶体Euler梁弯曲振动能带结构的一种改进传递矩阵法

用于计算声子晶体Euler梁弯曲振动能带结构的传递矩阵法有如下缺点:待定参数无实际物理意义、传递矩阵的计算较为繁琐以及连续性条件的应用不直接等。为解决目前存在的问题,引入Krylov函数将待定参数转化为梁端位移、转角、弯矩和剪力4个具有明确意义的参数,使处理原胞内及原胞间不同材料梁连接位置的变形和受力连续条件直接化;并由此推导了形式较为简单的传递矩阵及相应的能带结构计算方法,并通过算例验证了该方法确适用于计算声子晶体Euler梁的弯曲振动能带结构。     

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.     

等截面一维声子晶体角梁结构振动特性

为了进一步探索声子晶体结构独特的振动带隙特性,挖掘其潜在的工程应用价值,基于回传射线矩阵计算法,对等截面一维声子晶体角梁结构对于轴向波的振动特性进行研究.完成了结构模型建立、坐标变换、描述单元相位关系及节点散射关系,得出传播矩阵,并且与有限元法计算结果进行对比,证明其理论分析以及数值计算的正确性.研究结果表明,回传射线矩阵法应用于声子晶体振动特性计算的可靠性强.通过相应的频率响应函数曲线之间的差异,可得各参数对声子晶体角梁振动特性的影响及相应规律,为工程减震相关研究提供参考.