方柱复式正方晶格固/气型声子晶体的带隙研究

在方柱简正方晶格每个原胞的中心插入另一个方柱形成复式结构固/气型声子晶体,采用平面波法计算了其弹性波带隙结构.结果表明,与简单晶格相比,复式结构能有效地降低晶格的对称性,使能带的简并态分离,有利于获得完全带隙,而且填充率越高,能带曲线的变化越平滑,带隙数目越多.此外,在相同的填充率下,最低带隙的宽度及中心频率都随着插入体尺寸的增大而增加,当插入体尺寸与原柱体相同时,可获得最宽的带隙.     

新型多共振腔声子晶体声屏障的带隙机理及其隔声性能研究

为控制道路噪声水平,设计了一种新型多共振腔的声子晶体声屏障。该设计先采用理论和仿真计算分析多腔声子晶体的能带结构,研究不同共振腔数量和晶胞形状对声子晶体禁带特性的影响情况,发现随着共振腔个数的增加,带隙的数量和宽度也在增加;针对同种多腔散射体模型还对不同晶格排列方式进行能带特性分析,阐明不同排列方式对带隙范围的影响。为进一步验证带隙的准确性,利用有限元法和边界元法分别仿真计算六共振腔声子晶体声屏障的传递损失,得到的传递损失曲线与其带隙特性能较好的匹配上。最后利用室外试验分别验证其在三角晶格和正方形晶格排列下的隔声效果。试验证明了该新型多共振腔声子晶体声屏障在带隙范围内具有良好的降噪性能。     

嵌套复式三角晶格固/气型声子晶体的带隙研究

设计了一种新型的嵌套复式三角晶格固/气型声子晶体,用两个相切的圆柱替代简单三角晶格中的每个单圆柱基元,采用平面波法计算了其弹性波带隙结构 。与简单三角晶格相比,嵌套复式三角晶格可以在更低的填充率及更低的频率位置产生宽带隙,在相同的填充率下,嵌套复式三角晶格最高可以获得宽度为4.4倍于简单三角晶格第一带隙宽度的最低带隙,而且中心频率低至简单三角晶格第一带隙中心频率的二分之一。     

声学超材料板的弯曲波带隙与减振降噪特性

利用周期结构的波传播理论和有限元法相结合的方法计算了含双层柱状局域共振结构的声学超材料板的能带结构图,分析了晶格常数的变化对超材料板的带隙特性的影响。研究发现:晶格常数的变化会影响基板和柱体的振动耦合作用,对超材料板的带隙特性产生显著影响。通过对比不同算例,分别得到了限定或不限定局域共振结构附加质量比条件下,晶格常数对带隙的调控规律,研究表明选择适中的晶格常数,可以增大带隙的归一化宽度。此外还进一步仿真计算了超材料板在力激励下的振动与声辐射特性,结果表明在带隙频率范围内,超材料板具有良好的低频宽带减振降噪效果。论文研究为基于带隙理论的板类结构的低频宽带减振降噪设计提供了有益参考。     

声子晶体超晶格的能带折叠现象

为了研究声子晶体超晶格的能带折叠现象,利用平面波展开法结合超晶胞方法分析了声子晶体超晶格的能带结构.研究表明,声子晶体超晶格的能带与光子晶体、半导体超晶格相同,都具有能带的折叠现象.     

散射体特征对隔声超材料性能的影响

为研究应用于轨道车辆降噪的声学超材料，在分析两种晶体结构的基础上，从密度角度出发研究散射体特征对声学超材料性能的影响。建立三维三组元金刚石声子晶体模型，通过控制变量法在控制基体材料和包裹层材料参数一致的情况下，针对散射体密度进行梯度递增，以此求解并绘制不同散射体密度条件下三维三组元金刚石声子晶体能带结构图。结果表明：三维三组元金刚石声子晶体的带隙作用频率在6 725.77 Hz～11 632.62 Hz之间，基本与高速列车噪声覆盖范围重合；带隙随着散射体密度的增加，带隙起始频率和带隙终止频率均从高频开始降低，二者降低幅度有所区别。带隙宽度会随散射体密度的增加而增加，拟合带隙随散射体密度变化的曲线后发现，三维三组元金刚石声子晶体的带隙宽度随密度的变化曲线更倾向于3 阶函数。该结构的扩展结构可应用于轨道车辆地板层、高速铁路 沿线声屏障等有降噪需求的部位。     

长度调制的声子晶体梁弯曲振动带隙特性分析

提出一种长度可调制的双周期声子晶体梁结构,研究弯曲波的带隙特性。在无限周期条件下采用传递矩阵法计算准周期声子晶体梁弯曲振动中的弹性波能带结构,并与简单二组元声子晶体梁结构的能带进行对比,然后进一步分析调制参数对带隙的调节机制,结果表明准周期声子晶体梁结构较简单二元声子晶体梁能够产生更大带宽、更多频段的带隙。在有限周期条件下采用有限元法计算准周期声子晶体梁的振动传递特性,证明理论计算的正确性。所提出的准周期声子晶体梁结构可在使用较少材料的基础上大幅度拓宽带隙并具有更强的带隙调控力,为梁类工程结构的减振提供更多选择,并可为新型滤波器、隔振平台的设计提供新思路。     

声子晶体弹性波带隙理论计算及实验研究

声子晶体是一种具有弹性波带隙的新型结构功能材料。本文在详细介绍声子晶体弹性波带隙计算方法——平面波展开法的基础上,采用该方法计算了一维金属／丁腈橡胶杆状结构声子晶体及二维空气中正方形排列的钢管阵列声子晶体的弹性波带隙并进行了实验验证。实验结果同理论计算结果吻合较好。     

一种新型双振子声子晶体带隙特性研究

为获得较宽频率范围弹性波耗散性能，并有效控制减振降噪频率带宽，提出一种新型双振子声子晶体结构，研究其能带和传输特性，并利用COMSOL Multiphysics软件计算该声子晶体结构起始频率、截止频率以及相应的振动模态，分析该结构带隙形成机理，以及散射体密度和尺寸对该声子晶体带隙的影响规律。研究表明：双振子声子晶体结构带隙打开是基体中长波行波与振子的谐振相互耦合作用产生的结果。研究结果可为工业装备的噪声与振动控制提供一种新方法。     

宇称时间对称声子晶体纳米杆波动特性分析

提出一种宇称时间对称声子晶体纳米杆结构,并构建一种非局部有限元杆的波动力学模型,研究宇称时间对称声子晶体纳米杆中一些新颖的弹性波传播机理。研究结果表明宇称时间对称性声子晶体纳米杆的能带结构出现简并点,且简并点之前频率为实数,简并点之后频率则以复共轭的形式成对出现。虚部能带结构中正、负频率的成对出现表明结构中单色波传播呈现增强和衰减的效应。进一步研究尺寸效应对一维宇称时间对称声子晶体纳米杆结构中弹性波传播的影响,研究表明尺寸效应可以改变结构带隙频率所在位置及其宽度。该研究为宇称时间对称性声子晶体纳米结构在振动与弹性波控制领域的工程应用提供一定的理论指导。     

复式晶格声子晶体的多带隙实验研究

由于人工声子晶体具有天然材料所不具备的异常物理性质,它能够调控弹性波或声波的传输。考虑复式晶格可以降低晶体结构的对称性,容易打开完全带隙,进而抑制波的传播。设计了单胞含6个"原子"的(3.4.6.4)晶格钢/水声子晶体,结合超声浸水透射技术,测试了第一布里渊区Γ-K和Γ-M方向带隙性质。结果表明:实验得到的宽频段8个完全带隙频率范围和有限元法计算值可以很好地吻合。还详细分析了完全带隙边界频率点本征模态和声波局域效应,这对于设计多带隙隔声材料具有重要参考意义。     

层状双周期结构声子晶体带隙特性研究

设计了一种层状五组元双周期结构声子晶体,并将其等效为一维声子晶体,采用传递矩阵法推导出了该结构的能带结构;在该带隙范围内弹性波或声波的传播能够得到有效抑制,实现对噪声的控制。同时,分析了取消内部周期以后第一带隙的变化以及改变硅橡胶层厚度对第一带隙的影响。结果表明,该结构与简单二元结构相比,在降低带隙频率的同时有效减轻了结构质量,且"内部周期"主要影响带隙宽度;当增加硅橡胶层的厚度时,带隙频率进一步降低。     

类三角晶格固/固型声子晶体的带隙特性研究

首先划分7种类三角晶格声子晶体按三角点阵排列,然后利用平面波展开法计算了类三角晶格钢/环氧声子晶体的反平面模态能带结构,讨论了带隙各向同性和归一化半径对低频带隙的影响。结果表明,类三角晶格钢/环氧声子晶体可以打开不同频率段较宽带隙;选取归一化半径分别为0.34和0.38,使低频带隙得到最大值。这些带隙特征为设计新型减振材料提供了理论依据。     

双周期声子晶体梁弯曲振动带隙特性分析

提出一种双周期五组元声子晶体梁结构,用以研究弯曲波的带隙特性。在无限结构条件下,将其等效为铁木辛柯梁,利用传递矩阵法推导、计算其能带结构,并与简单二组元声子晶体梁结构的带隙进行对比分析,结果表明内部周期的存在主要影响带隙的宽度。在有限结构条件下,利用有限元法研究双周期五组元声子晶体梁的振动传递特性,证明理论推导的正确性,并得到双周期五组元声子晶体梁的弯曲波衰减特性。结果表明,双周期五组元声子晶体梁可以看作是一种滤波器,弯曲波沿波传播方向在禁带中逐渐衰减,而在通带中传播不衰减。最后讨论参数对带隙的影响,研究发现内部周期的存在能够解决低频与宽频相悖的问题,通过改变内部周期数,能够成功产生低频、宽频带隙,可为低频减振降噪设计提供新的思路。     

二维声子晶体薄板隔声特性研究

以磁流变弹性体为基体,铝圆柱体为散射体,构造二维平面声子晶体薄板。利用声子晶体能带理论,研究薄板隔声特性。结合平面波展开法,计算声子晶体能带结构,用有限元的模拟结果加以验证。然后进一步讨论基体弹性模量,散射体形状对声子晶体能带的影响。研究表明,带隙的起止频率和带隙宽度都与散射体形状密切相关。随着散射体边数的增加,带隙起止频率和宽度均趋于平稳,当边数无限大时,其值(起止频率和宽度)与圆柱形散射体相同。随着基体弹性模量变小,带隙起止频率和宽度都减小,整个带隙往低频方向移动。声子晶体中带隙的产生是比较复杂的,它往往是在多种机理共同作用下产生的。该研究能为隔声材料的研究提供一些新的思路,在智能化隔振方面有着广阔的应用前景。     

声子晶体板复能带计算方法

声子晶体具有弹性波带隙,可以用于结构振动与噪声控制。声子晶体传统能带算法一般给定波矢k在不可约布里渊区边界取值,然后求解特征频率ω,得到ω-k曲线。因而,传统方法中波矢k只取实数,只能求解实能带。为了求解复能带,一般需要给定频率ω,求解特征波矢k,从而得到k-ω曲线。提出了一种参数变换方法,解决了特征波矢求解中复杂的非线性特征值问题,实现了复能带的快速求解。最后,采用两个算例对文中算法进行了验证,包括布拉格声子晶体板和局域共振声子晶体板,研究了带隙内衰减常数随波传播方向的变化和阻尼对带隙的影响。     

声子晶体中弹性波带隙与散射

声子带隙产生条件是声子晶体研究的一个重要问题,首先对钢圆柱体嵌入空气基质组成的声子晶体散射截面进行计算,然后用平面波方法计算了弹性波带结构。结果表明声子带隙将出现在两个完全分离的共振态之间。因此,声子晶体产生完全带隙的条件是弹性波在基质材料中的传播被禁止并远离共振。     

固-液结构声子晶体中弹性波的能带

为了研究弹性波在固-液结构声子晶体中的能带特性,推导出了弹性渡斜入射固-液结构声子晶体的转移矩阵.利用它计算了固-液结构声子晶体中弹性波的透射系数.结果表明,当介质的分层厚度固定时,在透射渡中出现了多级禁带,禁带的频率中心随入射角的增加而向高频方向移动.当入射角固定时,禁带的频率宽度随介质的分层厚度近似呈反比变化,禁带的频率中心也随介质的分层厚度近似呈反比变化.     

基于COMSOL局域共振声子晶体薄板振动带隙研究

针对低频振动控制问题,研究一种局域共振声子晶体薄板的振动带隙。首先,基于弹性波方程及Bloch 定理,探讨应用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算的可靠性;然后,模拟计算所设计的局域共振声子晶体薄板的振动带隙,分析其带隙结构和元胞结构参数对振动带隙的影响,并以200 Hz～400 Hz 的中低频为目标频段,通过选择带隙宽度在目标频段内占比最大的参数组合作为声子晶体薄板的最优设计方案;最后,在频域上考察声子晶体薄板内波的传输特性。研究表明,利用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算是可靠的,与数值计算方法相比,其计算的带隙参数误差都很小;对于所设计的局域共振声子晶体薄板,元胞的结构参数对振动带隙具有显著影响,通过优选元胞结构参数,可使声子晶体薄板的振动带隙向低频区域移动;薄板内波的传输特性和薄板的振动位移图进一步证实了在振动带隙内薄板对波传播的阻碍作用。     

一维固-液平板声子晶体中弹性波的模式和带隙

利用一维固-液结构平板声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导出弹性波在一维固-液结构平板声子晶体中各个模式满足的关系式,利用这个关系式并结合转移矩阵计算出弹性波各模式的带隙随模式量子数和平板厚度以及入射角的变化规律。得出了一些不同于一维固-液结构非受限声子晶体带隙的新特征。