二维开孔式局域共振声子晶体低频带隙研究

设计了一种二维开孔式局域共振声子晶体结构,结合有限元软件COMSOL计算了该结构的能带结构图及振动模态,并通过振动模态分析了该结构低频带隙产生的机理。研究结果表明,与传统的全连接结构相比,所设计的单元结构质量更加轻便,且带隙起始频率更低,可在42.34～119.81 Hz范围产生完全带隙。并在此基础上通过改变包覆层开孔半径及散射体的半径进一步分析了单元结构的带隙影响因素,其带隙的起始频率可低至29.72 Hz,可在29.72～91.93 Hz范围产生完全带隙,带宽为62.21 Hz。该结构所实现的低频带隙为声子晶体在工程实际中针对特定低频段的减振降噪应用提供了新思路。     

螺旋局域共振单元声子晶体板结构的低频振动带隙特性研究

低频振动和噪声的控制问题是当今环境面临的重要挑战。基于声子晶体的局域共振机理,设计一种新型的螺旋局域共振单元声子晶体板结构,并结合数值计算和试验测试对结构的低频振动带隙特性进行分析和验证。分析发现,共振带隙的产生是由螺旋共振单元的局域共振模态与板中传播的弹性波相互耦合作用造成的,而且带隙宽度与耦合强度直接相关。通过改变结构的材料和尺寸参数可以将共振带隙调节到满足实际应用要求的低频范围。数值计算结果与试验测试结果基本一致,同时证实所设计的结构在250 Hz以下的低频范围具有较宽的振动带隙,最低带隙频率低至42 Hz。这种结构设计及其研究结果为声子晶体研究提供了获得低频振动带隙的理论依据和有效方法,在低频减振降噪方面具有潜在的应用前景。     

二维声子晶体薄板的振动特性

从薄板的振动方程出发,利用平面波展开法,给出了无限周期结构的二维声子晶体薄板的振动能带结构。发现二维声子晶体薄板存在振动带隙,但是与二维声子晶体xy模态的能带结构有区别。利用有限元法,对有限周期结构的声子晶体薄板振动频率响应进行仿真。在带隙频率范围内,频率响应存在较大衰减。并且给出了带隙内和带隙外两个频率点的波场分布。周期结构薄板中存在的振动带隙为声子晶体在减振方面的应用提供了一种新思路。     

一维杆状声子晶体振动中的表面局域态研究

从两种材料组成的一维杆状声子晶体的振动方程出发,给出无限周期结构的振动波色散关系和半无限周期结构表面波色散关系。发现带隙宽度、表面波频率均与材料组份比有关。对于具有自由表面的声子晶体,当自由表面层材料的速度小于另外一种材料速度时,存在表面局域态。利用有限元法,仿真了有限结构声子晶体的振动频率响应。当存在表面局域态时,振动频率响应在带隙频率范围内出现共振峰,这些共振峰至少减小了声子晶体20dB的减振效果。     

贴附型局域共振声子晶体双层板的带隙特性

针对板面之间周期性贴附柱状散射体的局域共振声子晶体双层板结构,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双层板结构的传输曲线,对其展现出的带隙特性进行了研究。数值结果和分析表明,当激励点和响应点位于上下异侧板时,一条起始频率低并且带隙宽的完全带隙可以被打开。该带隙的打开可以认为是共振单元的振动模态和上下板的板振动模态相互耦合作用的结果。同时,由双板间空气声腔所带来的声振耦合效应对带隙的影响可以忽略不计。此外,双层板结构展现出许多相应单板结构共同的带隙特性,但其拥有单板所无法比拟的宽带隙特性。通过改变结构相关参数,可以实现对带隙的有效调节。     

一维粘弹材料周期结构的振动带隙研究

采用迭代法改进了一维声子晶体带隙特性计算的平面波展开(PWE)算法,以使其适用于组成材料粘弹性所导致的弹性常数随频率非线性变化的特性。将该算法应用于丁腈橡胶(NBR)和钢组成的两种结构尺寸的一维周期结构声子晶体振动带隙的研究中,理论计算和振动测试结果吻合理想。进一步的理论分析表明,橡胶材料的储能弹性模量随频率的单调增加,使得在保持禁带开始频率不变的同时大大加宽了禁带范围,在3 mm钢/10 mm NBR以及7 mm钢/10 mm NBR两种周期结构一维声子晶体中禁带宽度分别增加了36.4％和34.0％。     

多带隙联合的声子晶体滤波梁弹性波传播特性

提出了一种包含Bragg散射、整体局域共振和局部局域共振机理的多带隙联合声子晶体滤波梁,通过传递矩阵法与Bloch定理求得无限周期结构各阶带隙为0～170 Hz、180～262.6 Hz、552.3～597 Hz、974～1 563 Hz、1 903～2 667 Hz;并调节结构参数,得出带隙调制规律和带隙机理。同时,与其他3种工况声子晶体梁带隙特征进行对比分析,证明了声子晶体滤波梁在带隙宽度、丰富度以及弹性波衰减率方面均有着相对优势,具备更好的过滤或抑制结构中弹性波的性能。此外,求解近声子晶体滤波梁的振动传递系数,得出在各阶带隙范围内,弹性波的传播存在明显衰减,验证了带隙的存在。最后为探究弹性波在带隙/通带范围内的波动模式,分别提取位于带隙/通带范围梁体位移分布,发现在带隙频率范围内的弹性波沿波动方向快速衰减,表现出带隙特性;通带频率范围内的弹性波无明显变化或衰减,表现出通带特性。     

充液周期管路的轴向振动带隙特性

充液管路的固液耦合振动广泛存在于各种工程领域中,对其振动控制进行研究具有重要意义。将声子晶体思想引入到管路结构设计中,将管壁设计成周期性结构,可以利用带隙特性实现管路的振动控制。利用平面波展开法,计算固液耦合条件下的周期管路结构轴向振动能带结构。计算表明,周期管路结构的轴向振动存在振动带隙,液体耦合效应使振动带隙的频率范围降低。同时分析泊松耦合、管壁厚度等因素对带隙频率范围和宽度的影响。充液周期管路结构的振动带隙特性为管路的振动控制提供了一条新的技术途径。     

考虑模糊变量的声子晶体带隙特性研究及优化

针对声子晶体设计中存在模糊变量导致带宽不可靠问题,建立新型二维多组元局域共振型声子晶体,通过数值计算得到带隙曲线并探究带隙产生机制,并基于分析包覆层几何参数和材料参数对带隙影响结果,考虑将环状包覆层材料参数作为模糊变量,几何参数作为设计变量,通过拉丁超立方体抽样进行实验设计建立基于Kriging模型的声子晶体带隙优化模型,利用麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm, SSA)对Kriging模型进行全局寻优,得到声子晶体最优设计解。结果表明,优化后带隙宽度从101.17 Hz变为224.164 Hz,增大121.5%,且带宽边界均在设计目标范围内,所提出的Kriging带隙优化模型在避免大量数值计算的同时,考虑了模糊变量的影响,具有较高的预测精度和可靠性,为声子晶体设计提供新研究思路。     

负泊松比星型周期格栅结构的振动带隙特性

基于声子晶体的能带结构理论,结合弹性波动方程与Bloch定理建立结构单胞的动力学方程,研究负泊松比星型周期格栅结构的面内纵向振动与面外弯曲振动的带隙特性,发现其存在丰富的禁带特性,且在较低频率范围内存在稳定的宽大带隙。对比了2种振动模式的能带结构,研究了内凹夹角、长细比等几何参数对结构等效弹性参数与带隙特性的影响,并分析了带隙频率处单胞的振动模态。研究结果表明：星型格栅中存在2种振动都被抑制的完全带隙;内凹夹角和斜梁的几何参数是影响低阶带隙的关键;旋转共振模态的出现导致最低带隙处简并态的打开。星型周期格栅结构的这些带隙特性使其在工程减振降噪中具有潜在的价值。     

基于声子晶体理论的舰船液压管路支承用隔振器轴向振动带隙特性研究

利用声子晶体理论,将隔振器设计成由金属和橡胶组成的一维周期性结构,利用其带隙特性实现舰船液压管路的振动控制。采用传递矩阵法和有限元法,对隔振器能带结构和频响函数进行仿真计算,分析材料属性、晶格常数和径长比等因素对带隙频率范围和宽度的影响,根据舰船液压管路振动频率范围,最终确定了隔振器结构尺寸及材料,并对其轴向振动传输特性和减振性能进行了数值仿真和试验验证。试验结果表明,该新型隔振器在600~10 000 Hz以内的频率范围内具有良好的轴向减振性能,能够有效地抑制管路振动向船体结构传播。本研究为舰船液压管路的振动控制提供了一条新的技术途径。     

周期弹簧振子结构振动带隙理论与实验研究

无限周期弹簧振子结构具有和声子晶体类似的振动 (弹性波 )带隙特性 ,即带隙频率范围内的振动 (弹性波 )无法在该结构中进行传播。本文首先计算了无限周期弹簧振子结构振动 (弹性波 )带隙 ,进而采用数值方法对有限周期弹簧振子结构的振动传输特性进行了仿真计算 ,最后对双质量周期振子结构进行了试验验证。理论计算结果、仿真结果和试验测试结果相互吻合 ,即在带隙频率范围内的振动在频响曲线上有较大衰减     

基于波传播法的一维声子晶体禁带

提出用波传播法(Wave propagation method,WPM)来研究一维声子晶体的禁带特性,并将该方法与平面波展开法(Plane wave expansion,PWE)进行比较,发现PWE随着波数的增加而逐渐收敛于WPM的结果.将WPM应用于一维二元和一维四元声子晶体禁带特性的计算中,在相同计算精度下WPM的计算时间大约为PWE的1/50和1/100.当考虑到粘弹性材料的频变特性时,WPM能直接得到声子晶体的禁带特性,在相同的计算精度下WPM的计算量大约要比经过迭代改进的PWE的计算量小两个数量级.     

周期弹簧振子结构振动带隙及隔振特性研究

无限周期弹簧振子结构具有和声子晶体类似的振动(弹性波)带隙,带隙频率范围内的振动(弹性波)在该结构 中无法进行传播。在计算无限周期弹簧振子结构振动(弹性波)带隙的基础上,采用数值方法计算并讨论了有限周 期弹簧振子结构的振动传输特性及隔振特性,最后以双质量周期弹簧振子结构为例,对其振动传输特性及隔振特 性进行了试验验证。     

局域共振型周期双层板简化模型带隙特性研究

基于广泛研究的声子晶体单板结构,通过在板面之间周期贴附"弹簧-质量块"共振单元,提出局域共振型声子晶体双层板简化模型。通过对传统平面波展开法加以改进,建立改进平面波展开法用于计算该模型能带结构。数值结果和分析表明,在低频段,能带结构可以打开一条完整的带隙。扭簧以及软材料的尺寸和黏性对带隙的影响比较明显,但转动惯量对带隙几乎无影响。该研究方法及结果可以为工程中减振降噪领域双层板甚至夹层板类声子晶体结构的研究提供理论参考。     

Existence of complete band gaps in 2D steel-water phononic crystal with square lattice

This paper theoretically and experimentally studies the existence of complete band gaps in two-dimensional (2D) phononic crystal consisting of parallel steel rods in water with square lattice. The band structure of phononic crystal is calculated by a plane wave expansion (PWE) method. Based on the well-known ultrasonic immersion transmission technique, the overlapping transmission spectra of acoustic waves, a complete band gap, is experimentally measured along the two high-symmetry directions of the first irreducible Brillouin zone. There is a very good agreement between the experimental result and the range of frequencies of the complete band gap.