具有压电分流电路的声子晶体杆振动带隙研究

压电分流电路的电磁振荡可以使声子晶体杆产生局域共振带隙.分析了杆局域共振带隙的形成机理,运用传递矩阵法计算了杆的带隙结构,并对分流电路中电感、电容和电阻对局域共振带隙的影响进行了研究.压电分流电路的电磁振荡可以使压电片的等效弹性模量变为负值,从而使贴有压电片粱的弹性模量减小,当弹性模量实部等于零时,振动无法在杆中传播,形成局域共振带隙.通过改变分流电路中电感和电容参数可以方便的调节局域共振带隙的位置,为声子晶体带隙的主动控制提供一种新的方法.     

谐振放大压电声学超材料梁带隙特性研究

声学超材料具有亚波长带隙,可应用于结构振动与噪声控制。引入压电材料和谐振分流电路,可以利用电磁振荡和压电材料机电耦合特性在超材料内部形成可调谐局域共振带隙。传统压电声学超材料受到已有压电材料机电耦合系数的限制,带隙一般较窄,无法满足大柔性结构振动与噪声控制中低频宽带需求。因而,该文提出一种谐振放大压电声学超材料梁结构。将压电片划分为传感极和驱动极,传感极输出电压经过运算放大电路放大,然后与谐振电路相连,实现局域共振效果的增强,从而增大带隙宽度。采用有限元方法建立压电声学超材料梁带隙计算模型,分析了带隙位置和宽度随电路放大倍数的变化,研究了等效弹性模量与带隙的关系;利用商用有限元软件仿真分析了有限周期梁的振动传递特性,验证了带隙计算方法的正确性。研究结果表明,放大电路有效增强了电路的局域共振效果,随着放大倍数的增大,带隙频率降低,带隙宽度增大。     

含负电容谐振分流电路的压电声子晶体梁的局域共振带隙与振动衰减

通过在树脂梁上周期贴敷压电片,并连接由被动电阻-电感(RL)谐振分流电路和负电容(NC)电路串联而成的分流电路,构造了压电声子晶体梁结构。采用传递矩阵法计算了该类型压电声子晶体梁结构的带隙特性,并对电阻、电感和负电容对局域共振带隙的影响进行了深入分析,发现分流电路中的LC电磁振荡回路可产生局域共振带隙,而串联的负电容电路则可增强压电片的机电耦合效率,从而增强带隙衰减范围和衰减幅值。采用振动实验方法对理论分析结果进行了验证,证实串联的负电容对局域共振带隙的增强作用,为局域共振声子晶体的设计提供了新的思路。     

基于动力反共振结构的周期细直梁纵向局域共振带隙研究

引入动力反共振结构,构建了一种具有低频局域共振带隙的新型细直梁周期结构。基于传递矩阵法和Bloch理论推导了无限周期细直梁纵向振动弹性波能带结构的理论模型,利用有限元法建立了有限周期细直梁纵向振动传输特性的数值模型,仿真结果与理论计算基本吻合。通过分析局域共振带隙与共振子等效质量和等效刚度的关联,阐述了动力反共振周期结构对细直梁纵向振动的隔振机理,给出了局域共振带隙的变化规律。研究表明,与采用弹簧质量为局域共振子的细直梁周期结构相比,应用动力反共振结构能够实现更低的带隙初始频率。     

含压电分流阻尼的声学黑洞梁振动特性研究EI北大核心CSCD

针对声学黑洞梁结构,引入压电分流阻尼形成声学黑洞压电复合结构,采用半解析法对其振动特性进行分析。首先基于哈密顿原理,采用墨西哥帽状小波作为型函数,利用能量法对声学黑洞悬臂梁的自由振动和受迫振动进行求解,与有限元法结果吻合良好,验证了半解析法的可靠性。然后引入分流阻尼,通过等效介质法将分流阻尼等效为附加材料,利用其局域共振机制,分析了含分流阻尼的声学黑洞梁振动特性,从理论上分析了确定局域共振频率近似方法。压电分流阻尼可以通过调整电感值来使局域共振与结构共振产生耦合,从而使振动响应峰值产生衰减;另一方面适当的阻尼可以使振荡效应消失。针对第一阶共振峰值,设计出的含分流阻尼的声学黑洞梁比传统阻尼层声学黑洞梁的振动有明显衰减,为声学黑洞结构的低频振动控制提供了新的思路。     

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。     

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。     

镶嵌薄膜结构的低频吸声特性分析与实验研究

为了对低声压级、低频带声波达到理想的吸收效果,提出了一种金属片镶嵌薄膜的复合吸声结构。分析了复合结构局域共振机理:通过薄膜材料的弹性波与每个结构单元的共振特性相互作用,可以产生局域共振带隙,从而使薄膜中的行波不能进行传播。利用传递矩阵法计算了镶嵌结构与薄膜空腔结构结合后的声阻抗,得到理论的吸声系数。通过试验得到复合结构中结构单元和薄膜的阻尼系数与弹性系数,对复合结构进行吸声系数测试,与理论计算值进行对比,理论计算结果与试验吸声系数吻合较好。采用薄膜两侧镶嵌结构单元与一侧的进行试验比较,得到两侧镶嵌结构的吸收峰值附近频带较宽,一些吸声系数达到0.95,实现了低频噪声的高效吸收。     

含双自由度周期振子的平行并联梁弯曲振动带隙特性

为探究新型周期结构的低频多带隙特性，提出了周期布置双自由度振子的局域共振型平行并联梁结构。利用平面波展开法，计算了无限周期结构的弯曲振动能带结构。采用有限元法计算了有限周期结构的振动传输曲线，并通过模态分析和变形模式研究了带隙产生机理。建立了双自由振子并联梁的简化模型，推导了带隙起止频率简化公式，研究了结构参数对带隙特性的影响规律。最后制作了模型试件并进行传递特性分析，验证了理论和有限元法预测带隙的准确性。研究表明，仅改变两梁之间连接弹簧的刚度，可以有效调节带隙频率，为双自由度振子双梁周期结构的减振控制提供参考。     

压电分流阵列板复能带结构计算的ES-FEM方法

为了提高压电分流阵列板复能带结构的计算精度，构造一种基于Mindlin 假设的边光滑有限元法(ES-FEM)数值模型。以单个原胞为研究对象，采用三角形单元对其进行离散。基于背景单元的各条边，进一步构造相应的光滑域，依托梯度光滑技术(GST)建立光滑应变场。最后通过建立离散系统方程并结合Bloch 定理对复能带结构进行求解，并进一步探究电学参量对带隙的影响规律。研究结果表明：ES-FEM方法能够有效提高压电分流阵列板复能带结构的计算精度；电阻和电感等参数分别对局域共振带隙的衰减峰值和位置有显著影响，而对布拉格带隙则影响较小。     

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。     

间距比对双振子局域共振轴纵振带隙的影响

对双振子局域共振轴纵向振动的带隙行为进行了研究,采用传递矩阵法推导得到了双振子局域共振轴纵振能带结构关系的解析表达式,对双振子局域共振轴的带隙进行了计算。结果表明在振子总质量相同的情形下,双振子局域共振轴相比于单振子而言能够拓宽带隙宽度。此外,针对振子间距比对双振子局域共振带隙特性的影响进行了分析。研究发现:尽管原胞的晶格常数保持不变,然而振子间距比会对各带隙的宽度产生影响,带隙极大宽度发生条件为振子间距比θ=0.5或θ=1(θ=0)时;在一些情形下,适当的间距比可以使得局域共振带隙之间产生带隙融合现象,进而形成一个超宽带隙;对于双振子局域共振轴,布拉格带隙边界频率不完全取决于晶格常数,而且还同振子间距比相关。     

“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。     

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。     

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;...     

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。     

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。     

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。