含共振单元的单相3维声子晶体设计及其带隙特性研究

局域共振型声子晶体具有低频段的弹性波带隙特性,在振动与噪声控制工程领域有着重要的应用前景。三维局域共振型声子晶体的结构形式目前主要是基于多组元材料体系,在面向工程实际的制造和应用方面存在局限。对此,本文提出一种可实现低频局域共振带隙的单相三维声子晶体结构,利用有限元方法计算了声子晶体的能带结构、振动模态和传输特性。结果表明：该结构在具有高频带隙的同时,可在归一化频率低于0.1的范围内打开相对带隙宽度超过20%的低频弹性波带隙。结构中球形质量单元和连接体的局域共振是该低频带隙产生的主要原因。结构材料属性的变化影响带隙频率值的实际大小,而结构几何参数决定带隙在整个能带结构中出现的相对位置。通过改变结构材料参数和几何参数,可以实现对低频带隙边界和带隙宽度的调控。带隙的进一步拓宽可以通过构造几何参数渐变的组合结构来实现。本文所提出的单相三维声子晶体结构可用于低频减振降噪材料和器件的设计开发。     

可实现宽频隔声的全向通风铁路声屏障

针对现有铁路声屏障通风性能差和自重大的问题,提出新型铁路声屏障设计. 该结构是由螺旋通道和中空通路相互组合的超单元并联形成的,基于Fano共振机理实现螺旋通道和中空通路之间的耦合,能够对特定频带的声波能量实现高效阻隔,具有厚度薄、自重小、通风性能好等优点. 分析超单元结构对斜入射声波的隔离效果,对超单元结构进行参数优化分析,研究超单元数量对设计声屏障隔声性能的影响,对超单元结构进行实验验证. 研究结果表明,该结构可以对不同角度入射的声波实现宽频隔离;参数优化后的超单元结构可以有效控制轮轨噪声主频,已达到实际应用要求;超单元数量不会对声屏障的隔声性能产生影响;仿真与实验结果具有较高的一致性.     

一维杆状Thue-Morse(TM)准周期结构声子晶体带隙特性的研究

提出了一维杆状TM准周期结构声子晶体模型,采用有限元法计算了其带隙特性并与周期结构进行了比较。研究表明,TM序列准周期结构声子晶体可以有效地拓宽带隙宽度且能降低起始频率,而且在带隙范围内产生了具有高品质因子的局域共振模;此外还发现,不同代次的TM序列、不同排序的材料组合都不影响其带隙范围,但改变材料参数(密度和弹性模量)却能改变其带隙范围。此研究可供其在减振降噪、滤波、波导等方面的设计和实际应用参考。     

基于超声频段的声子晶体负折射率成像规律分析

声子晶体的负折射率研究是突破透镜衍射极限,实现声透镜超高分辨率的最重要手段.通过局域共振声子晶体的振动模型分析,在系统共振频率附近得到了负的质量参数,并以此为原胞构建了声透镜.利用Comsol软件模拟了近场点声源通过声子晶体平板的负折射率成像过程,很好地验证了该透镜负折射率的实现.观察到入射波和出射波的波形基本接近,弥散现象很弱,解释了声子晶体可以突破衍射极限,实现了超高分辨率的特性.仿真结果表明:该模型的原胞尺寸为0.000 5 m,传输声波的波长为0.025 86 m,实现了利用小尺寸结构调控大尺寸波长的声学信号处理的目的.     

一类局域共振型声子晶体梁的带隙分析

针对局域共振带隙生成机理问题,给出一类由树脂基体、硫化橡胶套和铅套所构成的一维局域共振型声子晶体梁结构,并对其弯曲振动传输特性进行有限元分析,研究带隙起止频率的形成机理,给出相应的简化计算模型.结果表明:该声子晶体梁能够产生低频带隙;带隙的起始频率由局域振子的摆动模式决定,相邻振子间相位排列关系不具有明显的规律性;带隙...     

空气背衬条件下水中夹芯复合空腔结构吸声特性影响因素分析

夹芯复合结构是集承载和声隐身于一体的新型吸声结构形式,空腔谐振能够显著改善其低频段吸声性能。针对空气背衬条件下水中夹芯复合空腔结构,采用有限元计算方法,对比分析了芯材材料参数、空腔几何参数、水层厚度等对谐振峰值、峰值频率、吸声带宽的影响规律,为样机声学设计和模型试验提供了输入。结果表明:芯材模量越小,泊松比越大,密度越大,空腔间距越小,直径或体积越大,距迎声面越远,谐振吸声峰值频率向低频移动,带宽越窄。     

基于平面波展开法的声学黑洞梁弯曲波带隙研究

为了进一步提高结构的减振能力,新型减振结构的研究已成必然趋势,声学黑洞作为连续幂律变截面结构,能较好地抑制结构中弯曲波的传播.为了扩展声学黑洞减振频带,本文考虑将声子晶体中周期性结构与声学黑洞结合,构造出以声学黑洞为原胞的一维声子晶体梁.基于欧拉梁理论,推导了该声子晶体梁的弯曲波带隙的平面波展开计算方法,分析了该方法的...     

声子晶体的传输特性研究

为探究声子晶体的声波控制机理,研究了声波在声子晶体中的传播行为.通过分析声波激励声子晶体元胞的局域共振响应特性,计算了局域共振型声子晶体的频率响应.运用comsol软件模拟线声源激励在声子晶体薄板后汇聚成点声源.基于光外差测量平台进行了声传输实验,测量汇聚点的声压,并利用NE564组成中心频率为40 MHz锁相环电路来解调声子晶体表面振动信息.运用Matlab处理数据得到声子晶体的频率响应函数,即声子晶体传输特性.实验结果表明,共振频率可以确定声子晶体带隙,减小包覆层橡胶的刚度以降低带隙频率.     

含双质量谐振单元的声学超材料杆的纵波传播

为了探讨一种由2种组元周期排列构成的基体材料以及周期附加的双质量谐振单元构成的新型声学超材料杆的纵波传播问题,本文采用Bloch定理给出了其纵波色散关系的解析解。研究表明：令谐振单元的固有频率与Bragg禁带的截止频率重合有利于获得宽频禁带;双质量谐振单元的引入增强了声学超材料的可设计性,可用于获得多禁带。本文的研究结果拓宽了声学超材料的设计与应用。     

新型声学超材料梁带隙特性分析

为了突破局域共振带隙带宽窄的瓶颈,并获得宽频低频带隙,本文将基于磁流变弹性体的局域共振单元应用于新型超材料梁的设计.本文采用谱元法对所设计的超材料梁进行建模计算,基于离散傅里叶变换理论和变分法构建了谱梁单元,基于力-位移关系法构建了磁流变弹性体局域共振谱单元.利用有限元法计算结果的收敛趋势检验了本文结果的正确性.通过频响曲线讨论分析了外加磁场强度、局域共振单元附加质量和单胞梁段的材料组成等因素对所设计超材料梁带隙特性的影响.研究发现,采用基于磁流变弹性体的局域共振单元设计超材料梁,可以使局域共振带隙宽度达到与Bragg带隙相当的水平,有效拓展局域共振带隙的宽度,提高该超材料梁的减隔振能力;增大磁流变弹性体局域共振单元附加质量,将减小超材料梁Bragg带隙的下界频率并拓展其带隙宽度;增加磁流变弹性体超材料梁单胞数是提高其Bragg带隙和局域共振带隙衰减能力的有效手段;单胞梁段材料构成差异越大,低频带隙越多,总带宽越大,衰减能力越强.     

流固混合声子晶体中负折射与导波特性研究

针对声子晶体中负折射现象产生的原因以及调控波导的方法,本文研究了工字型钢在空气中正方形排布所形成流固混合型声子晶体的波动特性。数值计算是通过有限元方法进行的。根据等频率曲线确定声子晶体产生负折射的频率,并进行模拟验证。通过引入线性缺陷,设计直线和折线型波导,调控波的传播。并通过引入耦合共振缺陷,研究结构中耦合共振波导的波动特性。结果表明：在?=0°的声子晶体中,5 255 Hz时波仅沿y方向传播。在?=45°的声子晶体中,3 045 Hz时波的传播会出现负折射现象。只有在特定的频率范围内,波在Z型线性波导中能够较好地传播。在不同的频率范围内,波在2种直线型耦合共振波导中均能够较好地传播。相关结果为流固混合型声学器件的设计提供一定的数值基础。     

基于SEA的加筋铝板声传输研究及仿真

运用统计能量分析方法,推导出加筋结构声传输函数,采用VA One中SEA模块对加筋铝板声传输损失进行研究,建立加筋铝板隔声计算的仿真模型。将仿真结果与已有文献试验数据进行比较,证明了采用加筋结构声传输计算模型研究其隔声特性的有效性并分析了相关参数对加筋铝板声传输的影响。研究结论为船舶加筋板的隔声设计提供了一定参考,尤其对铝合金上层建筑舱壁和围壁隔声护板的声学设计具有指导意义。     

装配式ALC复合墙体隔声性能实验研究

ALC板材是一种新型轻质板材,将其用于建筑中,可以减轻结构的荷载,降低建筑造价。然而,单一轻质材料的墙体隔声性能难以达到设计要求。进行了内填岩棉层的双层ALC板复合墙隔声实验,获得了在各主要频段的隔声量数据。结果表明:采用此种构造的复合墙,其隔声性能较相同厚度或相近面密度的ALC板墙更为优越;内填岩棉层使ALC板复合墙体在高频段的隔声性能提升明显;选取等厚的双层ALC板所得的复合墙体吻合效应仍较为明显。     

仪表板的结构-声灵敏度分析及声学优化设计

为了研究各铺层厚度对复合结构隔声性能的影响,设计出声学性能最优的仪表板.由结构-声场耦合有限元方程计算某复合仪表板各铺层厚度对其透射侧一点声压的灵敏度,根据结构-声学灵敏度结果,以仪表板透射侧一点的声压最小为优化目标,各铺层厚度为设计变量,仪表板总质量为约束条件,用修正的可行方向法优化1500Hz以内的声学性能.结果表明,与原单层镁质仪表板相比,优化后的镁合金复合仪表板重量减轻1.25kg.用结构-声耦合法计算二者的声学性能,透射侧总声压级由128.2dB下降至124.2dB,实现仪表板轻量化、低噪声的设计要求.     

新型稻壳砂浆轻质节能复合墙板

为了有效降低建筑能耗,提供适用于建筑领域的节能型墙体材料和密闭性好的围护结构,研制了可作为墙体材料的轻质稻壳砂浆,通过试验研究了该轻质稻壳砂浆的强度、密度、导热性能和抗冻性等物理力学性能．将轻质稻壳砂浆与钢筋和岩棉板复合成稻壳砂浆轻质节能复合墙板,研究了稻壳砂浆轻质节能复合外墙板的隔声和保温等物理性能,以及耐火极限和力学性能,试验结果表明,稻壳砂浆轻质节能复合墙板具有良好的耐火、隔声和保温性能,能够满足相关规范和标准对建筑材料物理力学性能的要求．给出稻壳砂浆复合墙板的设计方法和构造措施,对此类型复合墙板经济效益进行了分析．     

局域共振薄膜结构的管腔热声耦合振荡抑制研究

针对不稳定热释放与声场耦合而产生的热声振荡现象,严重影响燃烧系统的稳定性和振动噪声水平的问题,本文提出一种有效的热声耦合振荡抑制策略。本文基于能量原理和声压连续条件建立了周期分布局域共振薄膜结构-管腔-火焰耦合模型,研究了薄膜结构对管腔热声耦合系统热、声模态稳定性的抑制作用,并揭示了周期结构声学带隙对系统模态稳定性的影响规律。结果表明：薄膜结构可实现管腔耦合系统的多模态不稳定性抑制,尤其对声模态特征有显著的干涉作用。此外,可以发现热声耦合系统特征根分布受声学带隙影响较大,部分模态急剧向低频偏移,且所研究频段范围内模态稳定性均得到了改善,充分说明了本文所提出周期性局域共振薄膜在热声耦合不稳定性抑制方面的有效性。     

层状软声子晶体带隙及传输特性的主动调控

首先利用非线性大变形理论计算了预应力偏场作用下一维三组元层状软声子晶体材料参数、几何尺寸的变化,然后通过有限元软件Comsol建立了一维三组元声子晶体模型,研究了结构中小增量场纵波传播问题。通过Comsol软件计算得到了不同预应力偏场作用下的声子晶体带隙分布以及有限周期结构的幅频响应图,对比分析了施加力偏场、三种材料组分比的变化对声子晶体带隙位置和宽度以及有限周期结构中波衰减程度的影响。结果显示:通过外部预应力偏场的控制可以实现一维三组元软声子晶体带隙分布以及传输特性的主动调控。     

热声发电系统最大声功捕获特性分析

为了使热声发电系统实现最大声功捕获,提出一种基于热声发电系统声学阻抗设计方法,通过选择合适弹簧刚度系数和谐振电容参数使热声发电系统声学阻抗匹配捕获声功最大.根据相似定理和热声发电系统声学阻抗流源机理,采用类电路相量法建立声功捕获模型,推导声功函数与各元件参数关系.以直线发电机安全运行为约束条件,推导出直线发电机弹簧刚度...     

基于基结构法的机翼仿生曲面网格结构设计

以某太阳能无人机机翼结构为研究对象,结合该类结构刚度分散大、超轻质、大展弦比等特点,运用基结构离散拓扑结构优化方法与仿生思想相结合的方式,设计得到了一种新的碳纤维轻质机翼结构。利用分步优化设计思想,通过GRAND法建立基结构网格关系,得到离散拓扑优化设计空间,并运用线性方法求解优化问题,获得机翼结构的拓扑关系;通过提取离散拓扑结构中杆件的节点尺寸信息,建立设计域内的材料权重分布;结合仿生设计理念,以编译结构拓扑生成方式的形式,表征参数化的模型几何特征;运用优化方法,得到最终的仿生机翼曲面网结构的最优拓扑形式。对比了该仿生结构与其他传统结构形式的结构性能,验证了所提方法对于太阳能飞机这类特殊机翼结构在超轻设计方面的可行性,在满足使用要求的前提下,实现了34.4%的结构减重。为开展此类刚度分散、碳纤维用超轻质结构研究提供了一种新的设计方法。     

水声基阵声学隔板声屏蔽性能研究

针对水声基阵艉部噪声屏蔽问题,设计了一种新型复合结构声学隔板装置。在仿真计算的基础上,采用声学隔板和声基阵,组建了试验装置,应用水声换能器综合参数测试系统和声呐信号处理系统,在开阔水域对声学隔板屏蔽水声基阵的声场特性进行了试验研究。试验结果表明,设计的声学隔板对声基阵艉向噪声遮挡效果与计算结果相吻合,屏蔽角满足声基阵观察范围,验证了设计的声学隔板满足声基阵艉部噪声控制。