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。     

声子晶体与汽车振动噪声控制

声子晶体是一种具有弹性波带隙的周期性结构功能材料,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减振技术的发展提供了一种新的可能.在介绍声子晶体的基本理论及特征的基础上,阐述了声子晶体在振动与噪声控制领域的研究现状及声子晶体在汽车减振降噪方面的应用.     

声子晶体在车身顶棚减振中的应用研究

从车身板件振动入手,结合几何参数、材料参数对带隙的影响,设计出具有中低频带隙的垂向振子声子晶体结构,并据此制备声子晶体样件,测定材料参数,进行振动传递特性试验,验证理论的正确性.将声子晶体结构粘贴于顶棚表面,得到其仿真带隙,使顶棚中低频的振动衰减了30dB以上,为声子晶体在车身板件减振中的实际应用提供了依据.     

二自由度振子型的二维LR声子晶体弯曲振动带隙研究

为了抑制板件的低频振动,提出了一种由二自由度振子周期性排列的二维LR (Locally Resonant)声子晶体,实现了低频范围内的双带隙。运用平面波展开法计算了该声子晶体结构的带隙特性,并通过有限元法和样件试验得到的振动传递特性验证了带隙计算结果的准确性。通过对含二自由度振子的元胞模态振型计算,进一步揭示了该结构低频双带隙的产生机理;振子的平动和转动的两种振型相互耦合作用可以形成两个低频弯曲波带隙,并根据简化模型推导出双带隙起始和截止频率计算方法;分析了弹簧刚度、弹簧距离、振子质量和转动惯量对双带隙的影响。结果表明,通过合理选择设计参数可以获得低频范围内的双带隙特性,为声子晶体在汽车板件多频减振的应用研究上提供了新的方法。     

声子晶体与轮边驱动电动汽车振动噪声控制

声子晶体是一种具有弹性波带隙的周期性非均匀新型复合材料,带隙频率范围内的弹性波传播被抑制或被禁止。在介绍声子晶体概念、基本特征及带隙理论的基础上,阐述了声子晶体在振动与噪声控制领域的研究现状;对轮边驱动电动汽车振动噪声的产生机理、频域特性、声品质、现有车用减振降噪材料技术进行分析,得出现有车用减振降噪材料与轮边驱动电动汽车振动噪声的矛盾;最后结合声子晶体各种特性和该矛盾,对声子晶体在电动汽车减振降噪方面的应用研究和挑战做了分析。     

基于质量放大局域共振型声子晶体的低频减振设计

针对低频结构振动控制,设计了一种质量放大局域共振型声子晶体。基于周期结构的Bloch定理和有限元方法研究了无限声子晶体的能带特性,同时基于有限元法研究了弹性波在有限周期结构中的传播特性。在此基础上,对声子晶体质量放大带隙与局域共振带隙的形成机理和带隙特性进行了研究。最后以梁框架结构低频减振为目标,将设计的质量放大局域共振声子晶体嵌入框架结构中,综合应用声子晶体带隙特性和黏弹性材料阻尼特性,实现低频宽带振动抑制效果。进一步,对框架结构一阶固有频率,进行声子晶体结构优化设计,实现了一阶固有频率处振动的高量级抑制,并设计制备实验样件,进行实验验证。结果表明,这种质量放大局域共振声子晶体可以为结构低频减振提供一种新的实现方法。     

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。     

二维复合结构声子晶体的振动特性与实验研究

声子晶体可以获得低频带隙,抑制特定频率振动的传播。建立二维复合结构声子晶体的有限元模型,分析其传输特性,以得到各组元参数对带隙的起止频率及带宽的影响。分析声子晶体的各种材料参数、结构参数、周期数、排列方式等对带隙的影响。利用铝板、硅胶、钢片材料制作复合结构声子晶体样件,进行传输特性实验,得到的频率响应曲线与有限元仿真结果吻合很好。进而为声子晶体在中低频减振中的具体应用提供依据。     

一类声子晶体角梁的振动带隙研究

针对声子晶体直梁的低维窄带减振特性的不足,提出了一类声子晶体角梁。采用传递矩阵法对角梁进行了理论分析和数值求解,并进行了有限元仿真验证。分析结果表明：声子晶体角梁能够通过纵向振动和弯曲振动的转化使得组成梁的两种带隙同时得以发挥减振作用,从而有效地实现了宽频多维减振;声子晶体角梁的构造角度对其减振性能有明显的影响,90度角梁减振能力明显优于45度和135度情况;当加载角由0度向90度变化时,角梁内的振动由纵向振动为主逐渐过渡到弯曲振动占主导地位,弯曲带隙内的衰减也随之更加显著,反之亦然;扭簧能够加强角梁的“弹簧-振子”效应,不仅可以增加总振动带隙的宽度和衰减量,而且提高了低频区减振能力。     

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。     

并联双振子声子晶体梁结构带隙特性研究

为使声子晶体结构实现范围更宽的多带隙特性,基于单振子型声子晶体结构弯曲振动带隙频率范围窄的局限,提出了一种双侧振子布置形式的局域共振声子晶体梁结构,并基于传递矩阵法和有限元法对其进行了无限周期和有限周期的带隙计算,分析了双带隙配合减振的特性;试制了声子晶体梁样件并进行传递特性试验,通过仿真计算与试验结果的对比,验证了有限元法对有限周期结构带隙预测的准确性和有效性;最后基于有限元方法探讨了周期数和晶格常数对双振子梁带隙特性的影响。为并联式双振子声子晶体结构的工程应用提供了理论依据和工程参考。     

一种特殊的布拉格型声子晶体杆振动带隙研究

针对工程中常见的多杆结构的振动抑制问题,将声子晶体具有独特的振动带隙这一理念引入进来,构造了一类布拉格型声子晶体T型杆。在波动方程的基础上,采用传递矩阵法,对声子晶体T型杆的面内和面外振动带隙特性进行了理论推导和数值分析。研究结果表明:弹性波在声子晶体T型杆中传播时会发生波型转化,这种波型转化一方面使得不同波型对应的带隙可以同时发挥振动抑制作用,从而拓展了减振频带;另一方面也使得对于任意方向的振动激扰均能够获得明显的衰减效果。因此,声子晶体T型杆能够很好的满足工程中常见的多维宽频减振需求,是一类良好的减振元件。     

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.     

二维声子晶体带隙特性分析与应用研究

声子晶体在减振方面拥有广泛应用前景,而带隙分析是将其付诸应用的首要前提。先利用有限元法研究结构与材料参数对带隙的影响,接着基于带隙特性分析的结果,根据实验所得的典型船用离心泵机脚的振动特性,设计以硅橡胶为基体、铅为散射体的声子晶体薄板。将声子晶体引入舱段减振设计中并进行相应的数值响应验证,结果表明:将所设计的声子晶体薄板插入舱段的内底板,在带隙作用范围内可有效阻抑振动传递,并降低舱段外壳的振动响应。     

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。     

一种局域共振型角式声子晶体梁

局域共振型声子晶体梁具有纵向振动带隙和横向振动带隙,一般而言,前者频率范围很窄而且衰减量极小,后者频率范围很宽并且衰减很强,二者往往不在同一频带,因此很难满足同一频带内的多维减振要求。针对这一问题,为充分利用横向振动带隙的宽频带强衰减特性,提出了一种局域共振型角式声子晶体梁,采用传递矩阵法进行了理论分析和数值求解,并进一步在有限元软件中做了仿真验证,结果表明该角梁能够通过纵波与横波的转换,使得三个自由度上的振动均能在同一频带内得到有效的衰减,从而一方面满足了工程上的多维减振需求,另一方面也拓展了声子晶体减振应用场合。     

结构参数对三组元声子晶体隔声性能影响研究

声子晶体在低频段存在振动带隙特性。该特性使声子晶体在减振降噪方面具有广阔的应用前景。本文研究的对象是三组元声子晶体。通过改变填充率、拓扑结构、层数等,分析结构参数对声子晶体隔声性能的影响。研究结果表明:在一定范围内,填充率越高,声子晶体的隔声性能越好。声子晶体的层数越多,声子晶体的隔声性能越好。在低频段,声子晶体的拓扑结构对声子晶体的隔声性能没有明显影响。     

舰船管路系统声振控制技术评述与声子晶体减振降噪应用探索

舰船管路系统的低频振动和噪声控制问题是当前舰船设计和制造中亟待解决的重难点问题和研究热点。浅析了舰船管路系统振动与噪声产生的原因,综述了国内外管路系统减振降噪治理技术,指出当前振动和噪声控制技术中存在的瓶颈问题,结合近年来凝聚态物理领域新兴的声子晶体减振降噪研究,提出利用声子晶体周期结构设计技术解决舰船管路系统的低频减振降噪问题,并对国内外声子晶体理论在管路系统的减振降噪应用探索进行了概述,最后给出将声子晶体引入舰船管路系统低频减振降噪仍需深入研究和探讨的几个方面问题。     

振子质量非均布的有限结构梁减振频带优化

对有限结构的声子晶体梁,首先结合传递矩阵法和有限结构的边界约束条件,在理论上计算了其振动传递特性,从而得到减振频带的频率范围和衰减深度。然后通过有限元法和样件试验得到的加速度传递函数验证了计算方法的准确性。进而分析了不同周期数对振动传递特性的影响,发现一定周期布置后的声子晶体梁减振频带已趋向稳定。最后,以振子总质量和减振频带总宽度为优化目标,通过NSGA-Ⅱ算法对6周期布置的有限结构声子晶体梁的各个振子质量进行优化。保持减振频带宽度不变时,以振子质量最小进行优化,振子总质量减小50.3%。综合平衡振子质量和减振频带宽度进行优化,优化后振子质量减小27%,减振频带宽度增加120%。该方法为声子晶体的工程应用与优化提供了参考和指导。     

幂指数棱台局域共振型声子晶体板的带隙特性与减振机理研究EI北大核心CSCD

针对船体板结构的振动控制,提出了一种新型幂指数棱台局域共振型声子晶体构型。研究表明,该声子晶体兼具局域共振低频带隙和声学黑洞高频带隙,对高频激励和低频激励均有较好的减振效果。声子晶体其低频带隙因共振单元的局域共振效应产生,带隙频段为78~115 Hz。在声子晶体能带结构的高频段中发现了隐藏于平直带的U型频散曲线,且频散曲线间的频段可有效抑制板的垂向振动,即产生垂向高频振动带隙。高频带隙产生的机理是幂指数棱台斜面的能量聚集效应形成的局域共振。随着散射体高度增大,低频带隙的中心频率降低,且带宽增大。棱台的幂次升高会使高频带隙的起始频率与终止频率降低,而边缘厚度的增高会使高频带隙的带宽逐渐变窄。新型声子晶体相较传统声学黑洞构型可有效提高船体板结构强度,从而可实际应用于船舶结构工程领域。研究成果可为舰艇结构振动控制提供支撑。