一种圆柱壳类声子晶体振动带隙及振动特性研究

圆柱壳类结构在结构设计中应用广泛,其振动噪声问题十分普遍。基于二维板类声子晶体提出了一种基于布拉格散射机理的圆柱壳类声子晶体模型。该模型利用圆柱壳的动力学方程理论和Bloch周期条件,建立其结构有限元模型并分析其振动特性。针对一半径为0.1 m的圆柱壳声子晶体结构,利用有限元法计算能带结构,并分析其振动带隙的特性。为了验证带隙准确性,利用有限元法对多个周期结构圆柱壳模型进行了振动传递分析,获得的振动传递函数曲线与能带带隙相匹配,同时给出了带隙外和带隙内的两个不同频率点的位移场分布。结果表明,与板类结构相似,圆柱壳声子晶体同样具有良好的沿轴线和圆柱环两个方向的带隙或全禁带隙,其振动传递损失也验证该结论。     

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。     

轴向载荷周期结构梁的弯曲振动带隙特性

各种载荷广泛存在于结构振动中,影响结构的振动特性。利用传递矩阵法,建立了轴向载荷周期结构梁弯曲振动特性理论模型,能够计算轴向载荷周期结构梁弯曲振动的能带结构和传输特性。研究表明,轴向载荷周期结构梁弯曲振动存在带隙,并分析了轴向载荷对带隙频率范围和衰减的影响。通过调节载荷条件,可以实现了超低频带隙特性。通过调节轴向载荷的大小和方向可以提高带隙的适应性。     

一维杆状结构声子晶体扭转振动带隙研究

从椭圆杆的扭转振动方程出发，利用平面波展开法，给出了无限周期结构的一维声子晶体杆的扭转振动能带结构。发现一维声子晶体具有扭转振动带隙，并且分析了椭圆形状对带隙频率的影响。利用有限元方法计算了有限周期结构的椭圆杆的扭转振动频率响应，在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减。扭转振动是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一，周期结构杆中存在扭转振动带隙为减振理论与应用提供了一种新的思路。     

基于多层S型局域振子的声子晶体双层梁结构带隙特性研究EI北大核心CSCD

针对工程中的振动噪声控制问题,提出了一种声子晶体梁结构,基于周期结构的Bloch定理,采用有限元法计算了该结构能带结构、特征模态所对应的位移场以及相应有限周期声子晶体梁结构的振动传输曲线,对其展现出的带隙特性进行了研究。由局域共振带隙形成主要机理,研究了低频段振动噪声控制的声子晶体梁结构,可应用于工程中特定频率的减振降噪问题。并对比分析了声子晶体单层梁结构和声子晶体双层梁结构的带隙特性,研究了单/双层梁结构振动的通性。研究了各参数对声子晶体梁结构带隙衰减频段的影响规律,通过合理设计参数,可以实现结构特定范围的低频隔振,在船舶、大型发电机组及其他工程的振动噪声领域中具有很好的应用前景。     

三组元栅格板的振动特性研究

依据声子晶体的局域共振机理提出了一种三组元板状周期栅格结构。利用有限元法分析计算了这种新型栅格结构的色散关系和特征模态的位移场。由能带结构图和振动传递的有限元仿真结果可知,栅格结构拥有多个方向的低频振动带隙。局域共振带隙是由行进波和振子的共振相互作用产生的。以第一个弯曲振动带隙为例,结构参数对带隙的影响可以用等效的质点弹簧系统模型来解释。这种三组元板状周期栅格结构有望应用于低频振动的隔振设计中。     

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。     

三维金刚石晶格声子晶体超宽频带隙特性研究

为获得宽频带隙,设计了一种三维声子晶体结构,由位于金刚石晶格格点的介质球通过连接柱连接形成。利用有限元法计算了声子晶体的能带结构、振动模态和透射谱。数值计算结果表明,该结构可以得到相对带隙宽度达到144.5%的超宽频弹性波带隙。介质球和连接柱的共振是宽频带隙产生的主要原因,介质球和连接柱直径的变化显著影响带隙边界和带隙宽度。此外,还利用平面波展开法计算了该结构的光子能带结构。结果显示该结构在具有超宽频弹性波带隙的同时还可获得一定宽度的光子带隙。该金刚石晶格"球-柱"结构可用于减振降噪材料和新型声光器件的设计开发。     

基于声子晶体的车内噪声研究

声子晶体是近年来提出的一种新型功能材料,是一种由两种或多种材料组成的具有周期性结构和弹性波带隙的声学功能材料或结构,并且振动频率在声子晶体带隙范围内的振动会被抑制或禁止传播,它所具有的这种弹性波带隙特性为汽车车内噪声控制,特别是车内低频噪声控制提供了一种新的研究方法.在介绍了声子晶体的概念、基本特征及能带结构的基础上,阐述了声子晶体在振动与噪声控制领域的研究现状,同时对车内噪声的产生机理进行了分析,最后对声子晶体在应用于汽车车内降噪方面的研究做了展望.     

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.     

“工”字型径向弹性超材料零频起始带隙特性研究

为了得到零频起始带隙,提出"工"字型径向弹性超材料,并研究了其不同约束状态下弹性波的传播特性。通过对色散关系,频响函数和本征模位移场计算研究,发现在双面约束状态下可产生0~16 849 Hz的零频起始宽频带隙,主要由约束作用引起的模态转变产生。进一步,通过研究有限周期结构的方向振动位移场,发现零频起始带隙产生的机制为局域共振机制。最后,分析了结构参数对零频带隙位置及带宽的影响。研究结论可以应用于超低频减振等工程领域。     

“工”字型径向弹性超材料零频起始带隙特性研究

为了得到零频起始带隙,提出"工"字型径向弹性超材料,并研究了其不同约束状态下弹性波的传播特性。通过对色散关系,频响函数和本征模位移场计算研究,发现在双面约束状态下可产生0~16 849 Hz的零频起始宽频带隙,主要由约束作用引起的模态转变产生。进一步,通过研究有限周期结构的方向振动位移场,发现零频起始带隙产生的机制为局域共振机制。最后,分析了结构参数对零频带隙位置及带宽的影响。研究结论可以应用于超低频减振等工程领域。     

基于Helmholtz共振腔阵列的声学超材料研究

为有效控制特定频段的噪声,基于Helmholtz共振腔阵列,通过Helmholtz共振腔短管位置的控制,设计了一种新型的局域共振型声学超材料。利用COMSOL Multiphysics软件求得新型声学超材料的能带图和传递损失曲线,并与具有单一方向开口的Helmholtz共振腔阵列的传递损失曲线进行对比;同时,为分析新型声学超材料的带隙形成机理,求得了其在带隙频率范围内的声压分布云图。通过试验测试了新型声学超材料的吸声性能。结果表明：新型声学超材料的能带图中产生了2段较窄带隙和1段较宽带隙,在带隙频率范围内,声学超材料传递损失出现峰值;第1带隙和第2带隙较窄,原因是单个Helmholtz共振腔局域共振,声波能量消耗少;第3带隙较宽,原因是Helmholtz共振腔与其周期排列形成的外部波导联合共振吸声,消耗大量声波能量。试验测试结果与仿真计算结果较为吻合,新型声学超材料可有效控制1 300~1 500 Hz和1 500~2 000 Hz频率范围内的噪声。研究结果表明,所设计的新型局域共振型声学超材料可有效实现中低频减振降噪,为声学超材料在中低频的降噪控制研究提供了新的思路。     

一种基于局域共振的低频超宽带隙瓣状声学超材料

针对低频声波的衰减问题,设计了一种基于局域共振(Local Resonance,LR)机理的带瓣型结构的声学超材料,并运用COMSOL有限元软件MULTIPHYSICS 4.3计算分析了所设计的结构元胞带隙特性及其振动特性,研究表明,所设计的声学超材料比无瓣型声学超材料带隙更宽,并且仅用单层结构同种元胞组合就可以在一定频率下形成较宽的多个完全带隙,而不需要通过不同种元胞组合或是多层结构的复合而达到一定带隙特性。在此基础上,进一步对所设计的声学超材料的几何尺寸进行了优化。     

周期声学黑洞结构弯曲波带隙与振动特性

作为一种被动型波操控结构,声学黑洞能对弯曲波起到较好聚集作用,再结合阻尼层能更好抑制结构振动波的传播.从声子晶体角度通过周期性排列构造一种声学黑洞结构与基体结合的一维声子晶体结构,选取合适的晶胞,采用有限元法对周期排列的声学黑洞结构弯曲波带隙特性进行研究,对比分析8周期声子晶体梁与等长度的恒定截面梁及周期楔形梁的振动位...     

基于子结构综合法的周期支撑结构带隙分析

周期结构具有特殊的动力特性,即带隙特性。在带隙频段内(或称阻带),结构振动被抑制。具有周期支撑的结构也存在带隙特性。在过去的研究中,一般将周期支撑简化为简支条件或简单的弹簧质量系统,并作为胞元间的边界条件。这种方法适用于简单支撑的情况,为了考虑支撑的复杂动力学特性,利用子结构综合法,将周期支撑结构视为胞元内部子结构,利用基于频响函数的子结构综合法建立整体胞元的动力学模型。通常计算结构带隙的方法是通过有限元法建立元胞的数值传递矩阵法,但对于复杂结构,数值传递矩阵法经常存在数值病态问题。通过引入模态分析,将子结构的传递矩阵用频响函数解析表示,根据Floquet原理和基于频响函数的传递矩阵法计算得到带复杂支撑的周期结构的带隙特性。利用曲线拟合和模态截断保留主要阶次的模态,可以同时得到元胞的模态参数与带隙间的关系,为逆向优化设计奠定了基础。最后通过仿真验证了方法的可行性和有效性。     

双局域共振机制声子晶体带隙特性研究

提出了一种双局域共振机制,结合有限元法对该机制声子晶体结构的带隙生成机理和带隙的影响因素进行了深入分析研究。2个刚性质量体互为刚性边界和振子,由此产生了2个可以互相转化的局域共振单元。双局域共振结构的带隙位置由2个等效单自由度系统的固有频率共同决定,带隙的宽度与2个质量体密度、内振子半径、弹性介质的弹性模量密切相关。研究发现,2个质量体密度差别越大、弹性介质弹性模量越高,带隙的宽度就越大。该机制在一定程度上削弱了基体与振子的紧密耦合关系,该结构具有较大的带隙变化范围,极大地增大了带隙的宽度,为宽频声子晶体结构的研究提供了新的思路。     

一维杆状声子晶体的带隙特性

用有限元方法计算了一维杆状声子晶体的振动传输特性及其振动模态,从振形角度分析了一维杆状声子晶体相关参数(物理参数、尺寸参数)对带隙起始频率及带隙宽度的影响,发现带隙的形成与其模态振形密切相关,各参数对声子晶体带隙的影响主要是影响了个模态所在的频率,从而改变了其带隙的起始位置及宽度。