基于局域共振理论的双层筋板带隙研究

三角筋板结构广泛应用于各种载运设备。低频振动及噪声具有波长较长、能量较大等特点,因此处理难度较大。本文采用声子晶体局域共振理论对双层筋板的低频振动进行减振研究,结果表明,通过在附加局域共振子的方式,运用有限元法可以计算出500Hz以下低频段带隙,可以为实际运用提供理论基础。     

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。     

细直梁弯曲振动中的局域共振带隙

通过将声子晶体中的局域共振思想引入到细直梁的结构设计中,构造了一种具有低频局域共振带隙的周期结构细直梁。采用传递矩阵法计算了周期边界条件下该细直梁弯曲振动中的弹性波能带结构,计算结果表明该结构中存在低频弯曲振动带隙。采用有限元法计算了有限周期该细直梁的振动传输特性。以有机玻璃、橡胶/铜块振子构成的该局域共振细直梁为例,采用振动试验方法对其振动传输特性进行了测试。试验结果同理论及仿真结果相吻合。结果表明,局域共振结构可大大降低带隙频率,并增大带隙衰减。梁类结构是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一,局域共振结构的应用为其提供了一种新的思路。     

双层欧拉梁声子晶体弯曲振动带隙特性研究

为了探究新型低频减振结构,建立局域共振型声子晶体双层欧拉梁简化模型,基于平面波展开法计算其能带结构,通过有限元仿真得到振动传输曲线并验证其带隙特性。结果表明,反对称振动和对称振动能带形成带隙,两能带耦合导致部分非带隙频段仍存在振动衰减,这是单层梁不具备的优势。根据固有振型给出带隙起始、截止频率的计算公式,并研究了弹簧刚度等对带宽的影响。     

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。     

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。     

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。     

声学超材料在低频减振降噪中的应用评述

低频机械波在传播过程中穿透力强,难以衰减,特别是次声频段的机械波易与机体器官发生共振,对身体造成危害。为了实现对低频机械波的有效控制,解决现代工业生产和生活中普遍存在的噪声污染问题,结合最近十几年发展起来的声子晶体和声学超材料,系统地总结和论述通过声子晶体和声学超材料解决低频振动噪声问题的新方法。归纳和总结典型的低频振动噪声来源和对其进行控制方面存在的一些困难,介绍低频振动噪声的危害。重点概括基于声子晶体禁带特性实现低频振动噪声被动控制的相关研究工作,主要介绍通过亚波长尺寸特征的杆、薄板和薄膜类结构来实现低频振动和噪声衰减的具体方法和效果。在声学超材料的理论框架下,讨论薄膜类结构在低频振动噪声衰减中的应用及其优缺点。通过结合实际工程需要和最新研究动态,对这一领域存在的问题和后续发展趋势进行总结。研究对推动声子晶体和声学超材料在工程实践中的应用具有一定的引导意义。     

基于局域共振的舰船浮筏低频减振方法

为控制动力机械激励下的舰船浮筏低频振动和噪声线谱,由变分原理建立了动力机械-平板-局域共振单元的耦合振动方程,采用模态叠加法导出了耦合振动方程的解,并给出了平板辐射声功率级的计算公式;设计了小尺寸轻质低频局域振子,分析了局域共振单元对动力机械激励下平板结构低频振动与辐射声功率线谱的控制效果。研究表明：在附加质量小于平板质量3%的要求下,局域共振单元可将低频振动线谱激励下平板结构表面平均振速级和辐射声功率级降低10%以上;当局域共振单元中包含多个固有频率不同的局域振子时,可以控制平板结构的多个低频振动与噪声线谱。     

局域共振型声子晶体梁的动态模型和带隙

建立了一种具有边界条件的局域共振型声子晶体梁的理论模型,其中声子晶体简支梁连接有周期分布的弹簧振子结构。根据Hamilton原理得到了该结构的动力学方程,采用Rayleigh?Ritz方法求得了该结构的动态特性以及局域共振型带隙的数值结果。所得到的结果同已有文献中的实验结果具有较好的一致性,说明所提出的理论模型是可行的。根据所建立的理论模型,分析了梁的长度和晶格常数对带隙的影响。可以看出：当声子晶体的晶格常数相对于梁的长度较小时,结构的频响特性中具有明显的带隙,在弹簧振子的固有频率处有反共振峰出现,并且始终位于带隙范围内;而当晶格常数相对于梁的长度较大时,结构的带隙情况较为复杂,且受边界条件的影响较大。     

钨芯体三维四元声子晶体振动带隙研究

在掌握声子晶体研究现状及其基本理论的基础上,采用集中质量法计算三维四元声子晶体的振动带隙,并考察填充率和散射体单元结构体积百分比变化对第一带隙的影响。研究结果表明:此结构在低频段存在振动带隙;随着填充率的增大,带隙边界频率向低频移动,带隙宽度增大;散射体单元结构体积百分比变化对带隙边界频率和带隙宽度有较大影响。研究结果为声子晶体研究提供了获得振动带隙的依据和有效方法。     

一维声子晶体振动带隙的带边模式研究

从一维声子晶体的波动方程出发,选用保持晶格对称性的原胞对声子晶体的能带结构进行解析分析.结果表明一维声子晶体带隙边缘的振动模式与其单个对称性原胞的固有振动模式完全一致,从而对一维声子晶体带隙特性的分析可以简化为对其单个对称性原胞固有模式的分析.研究表明,一维声子晶体中的振动模式是其各对称性原胞固有振动模式相互作用的耦合模式,在带隙边缘由于布拉格散射出现解耦效应,振动模式为解耦的驻波模式,从而与单个对称性原胞的固有振动模式一致.以有机玻璃及铝构成的声子晶体细直梁为例,采用振动试验对其振动传输特性进行测试,试验结果同理论分析结果基本吻合.这为声子晶体复杂梁杆结构的带隙特性研究及减振降噪设计提供了新的、简化的思路.     

带颗粒减振剂碰撞阻尼的减振特性

传统碰撞阻尼的工作原理大都建立在动量交换、摩擦耗能的范围内,动量交换并没有将振动能量永久地消耗掉,摩擦对于高频振动具有较好的减振效果,而对于低频振动效果较差。为此提出一种以微细颗粒塑性变形将振动能量永久消耗掉的新型的碰撞阻尼,称为带颗粒减振剂碰撞阻尼。分别对在传统单体碰撞阻尼和带颗粒减振剂碰撞阻尼作用下悬臂梁减振效果进行试验研究。试验结果表明：以微细颗粒塑性变形消耗振动能量的带颗粒减振剂碰撞阻尼具有优秀的减振效果,远远超过传统单体碰撞阻尼器。带颗粒减振剂碰撞阻尼在低频振动(低于50 Hz)中仍然具有良好减振性能,这是其他碰撞阻尼所缺乏的特性。机械振动多为低频振动,带颗粒减振剂碰撞阻尼具有广阔的应用前景。     

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。     

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。     

带颗粒阻尼双层隔振系统减振性能实验研究

结合双层隔振系统的工作原理,将双层隔振系统悬吊于悬臂梁下,颗粒阻尼添加于中间质量块,组成带颗粒阻尼的双层隔振系统。在系统底部质量块上施加白噪声激励,识别出系统的固有频率。对无颗粒阻尼双层隔振系统和带颗粒阻尼双层隔振系统,分别测出在一定频率范围,不同电压激励下的幅频特性曲线,实验证明添加颗粒阻尼后系统的阻尼比有显著的提升,共振峰有了大幅度减小。说明颗粒阻尼对系统有显著减振效果。且在高振动加速度下,系统的一阶共振峰向低频偏移,可有效防止共振的产生。     

前风挡玻璃结构对车内噪声的影响及优化

针对某车型车内存在低频压耳声,通过对车内噪声进行识别以及车身零部件模态测试,并对数据进行后处理,确认该低频压耳声产生原因为前风挡玻璃共振;通过CAE分析优化前风挡上横梁支架,该低频压耳声改善明显:为建立前挡风玻璃结构振动分析及解决汽车整车振动噪声问题提供良好的基础。     

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。     

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。     

基于声子晶体的二维减振结构设计

将局域共振声子晶体引入减振结构设计中,提出在橡胶减振材料中植入声子晶体的新型减振结构设计。通过有限元法计算位移频响曲线,研究了该结构的减振特性,并在此基础上进一步研究了周期层数、元胞尺寸、基体边长、中间层厚度及散射体尺寸对减振频段的调控作用。研究结果表明,该新型减振结构可以在280～1 000 Hz频段产生优良的减振效果,而各结构参数对禁带范围和频带宽度都具有很好的调控作用,使得针对特定频段的减振设计成为可能。该研究为航空航天领域新型减振器的设计提供了新的思路。