“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。     

单边周期环形谐振径向声子晶体结构

对于大量应用于工业设备中的盘类结构,其往往作为设备中低频振动的载体或者传播体,基于局域共振机制设计并研究了一种对盘类结构振动可以产生有效抑制的单边周期环形谐振径向声子晶体结构.通过计算其结构的能带图,得到起始频率低于0.016并且宽度为0.064的低频带隙.进一步分析其能带图中特殊点本征位移场探讨了带隙的形成机制.同时...     

散射体固液形态下超材料带隙特性分析

弹性超材料可以实现减振降噪、波导、隐身等弹性波操控功能,具有广阔的工程应用前景。本文引入固液相变材料作为散射体对比研究了散射体固液两种形态下的带隙特性和隔振性能,利用数值方法计算单胞的能带结构和动态有效质量,研究了影响超材料带隙特性的因素,并通过试验验证了两种形态超材料的隔振性能。结果表明：液态散射体超材料可产生局域共振带隙实现低频段隔振,固态散射体超材料可产生 Bragg 带隙实现宽频段隔振;同时,改变外界条件对两种设计形态的带隙均起到很好的调控作用。由此,超材料散射体两种设计状态的转变实现了带隙类型的转变和隔振频段的调节,可为适应热环境下的相变散射体超材料构型设计和隔振特性调控提供参考依据。     

基于蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料低频带隙研究EI北大核心CSCD

为降低居民区变压器的低频振动噪声并促使变压器环保达标,提出一种采用周期性配置蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料,以期实现变压器本体减振降噪。通过建立蝶形准零刚度弹簧的静力学理论模型,推导了蝶形准零刚度弹簧的回复力-位移、刚度-位移解析表达式,分析了其在平衡位置处的准零刚度特性,并采用有限元仿真验证了蝶形准零刚度弹簧的力学性能;以此为基础,基于欧拉-伯努利梁理论建立了由蝶形准零刚度弹簧周期性耦合硅钢片梁和硬铝合金梁构成的双梁超材料的元胞动力学模型,结合连续边界条件和周期性Bloch定理推导了双梁超材料的弯曲振动色散关系,研究了其低频带隙形成机理,仿真分析了双梁超材料的低频带隙特性。结果表明,通过蝶形准零刚度弹簧周期性弹性耦合硅钢片梁与硬铝合金梁形成的双梁超材料可产生应用于变压器铁芯硅钢片低频振动噪声高效抑制的低频带隙,且该低频带隙由布拉格散射-局域共振混合机制产生,为变压器低频振动噪声控制提供了一种崭新的思路。     

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。     

多层有砟轨道结构弹性波波动行为及带隙特性

为更好探究弹性波在有砟轨道结构中的传播特性,建立基本元胞平面波倒格矢下的多层有砟轨道波动方程,得到无限周期结构模型的频散曲线及各阶带隙,分别为：0～57.4 Hz、72.14 Hz～122.2 Hz、141.9 Hz～243.5 Hz。通过参数分析,得出结构中的局域共振带隙主要受到扣件、轨枕、道床刚度等轨下支撑的影响;Bragg 带隙主要受到扣件刚度及元胞长度的影响。同时,建立有限周期数的多层有砟轨道模型求解结构的振动传递系数dB,得到在各阶带隙范围内dB值小于0,即弹性波明显衰减,验证了带隙的存在及计算的正确性。为探寻带隙机理,模拟多层有砟轨道的集中质量模型,推导出各阶带隙的边界频率计算公式及振动模式。最后,提取位于带隙范围内的60 Hz、90 Hz、200 Hz以及位于通带范围内的70 Hz、150 Hz、2 000 Hz下的钢轨及道床位移分布,对于带隙范围内的频率,钢轨及道床位移会沿着弹性波波动方向快速衰减,表现出带隙特性,且衰减速度与振动传递系数大小相符;而对于通带范围内的频率,钢轨及道床位移沿着弹性波的波动方向无明显变化或衰减,即表现出通带特性,这进一步阐释有砟轨道结构中弹性波的传播特性以及带隙对钢轨及环境振动的抑制作用。有关结论可为后续从波动角度研究轨道结构及环境振动提供新的思路及理论支撑。     

一种新型复合局域共振型声子晶体带隙特性

设计了一种新型复合局域共振型声子晶体,通过建立弹簧-质量块等效模型用于计算带隙的上下边界频率,同时结合有限元方法分析了该结构共振带隙的产生机理,根据带隙起止点频率处的位移模态研究了声子晶体的带隙特性。研究结果表明,该声子晶体结构在频率2 200 Hz附近产生三条完整带隙,其中一条是带宽达406.17 Hz的宽带隙。对于有限周期结构的声子晶体进行了传输特性仿真和隔声实验测试,在相同的频段内弹性波传播受到了阻碍。最后,对影响声子晶体带隙打开的几种因素进行分析,讨论了带隙上下边界调控机制。研究结果为声子晶体获得较宽的低频带隙提供了一种新的设计思路和方法。     

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。     

二维局域共振型声子晶体微腔结构的带隙特性研究

利用有限元法研究了含十字型所形成的二维局域共振型微腔声子晶体结构的声波带隙特性。同时计算了最低带隙带边对应模态的位移分布和结构的传输谱。研究结果表明,含微腔结构的声子晶体在较低频率域内出现了完全带隙且带隙边缘的起始频率低,然而对于无微腔结构的类四边形声子晶体板中,则无第二带隙出现,并且第一带隙频率宽度较窄。微腔结构是产生局域共振以及出现低频带隙的最主要的原因。该研究为声子晶体在低频减振和噪音控制的工程应用方面提供了有益的支持。     

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。     

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移传递函数,讨论黑洞区域材料变化对带隙的影响。结果表明:该声学黑洞结构具有较好弯曲波带隙,在对应带隙及附近频带区间振动位移响应出现较大衰减,表明其抑制振动效果明显;在黑洞区域选择合适的材料可以使带隙向低频移动,同时使得带隙区间增多。     

夹杂及弹性耦联对手性蜂窝复合材料吸振带隙的影响

为了研究手性蜂窝复合材料的振动特性与其振动传播带隙之间的关系,首先,建立了该种材料离散多自由度的夹杂-韧带振动力学模型,该模型考虑了其内嵌夹杂的局部振动与由微结构韧带连接的节点环之间的弹性耦联及诱发共振模态。然后,重点研究了微结构元件之间的耦联程度和微结构元件的尺寸参数对材料吸振带隙低频段和高频段的影响,并结合有限元方法对模型进行了验证分析。结果表明:除柔性包覆的夹杂以外,耦联诱发振动、节点环和韧带的材料及尺寸参数都对手性蜂窝复合材料的固有振动频率产生显著影响,从而控制带隙的位置和带宽。随着节点环内、外弹性耦联程度的减小,夹杂的模态频率将控制带隙的低频段,且随着夹杂质量的增大,低频段的频率降低;高频段由韧带振动表征;当节点环内、外弹性耦联程度增大时,带隙的低频段对韧带和框架的模态更加敏感,从而出现比夹杂模态频率更低的带隙。无论弹性耦合程度强弱,当韧带和节点环的厚度减小时,材料第三阶较高的包覆层变形频率将被相对更低的韧带振动频率取代。所得结论可为小尺寸、低频宽带隙手性蜂窝型隔振材料的设计研究提供理论指导。     

弹性支撑条件下一维声子晶体结构振动特性研究

为了开展弹性支撑环境下一维声子晶体结构弯曲波振动特性的研究,采用回传射线矩阵法对其频率响应函数曲线进行计算,并开展相应的参数化研究.通过与有限元法比较可以发现,二者的吻合程度较好,证明该计算方法的正确性.为了进一步分析几何参数与多种条件下弹性刚度对于弹性支撑下一维声子晶体振动特性的影响规律,对不同情况下带隙的起始频率、...     

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。     

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。     

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。     

二维复合压电型表面波声子晶体带隙特性

设计了在镍圆柱体底部添加薄环氧树脂并沉积在铌酸锂基底的二维复合压电型声子晶体。通过有限元法计算了该结构的能带结构、分析了其带隙特性。计算结果显示:通过引入环氧树脂来减小散射体的有效弹性模量,从而降低了声表面波(SAW)完全带隙,同时打开了多条SAW方向带隙。计算了传输损失来验证带隙的存在性且讨论了其传输特性。利用布里渊区高对称点X处不同本征模态的位移场分析了带隙的形成机理。此外,还研究了共振体几何参数对SAW完全带隙、XM方向SAW带隙特性的影响,研究发现,随环氧树脂厚度的增加,在XM方向出现了一条宽为158 MHz的宽禁带。研究结果为设计基于声子晶体的电声设备提供了参考。