局域共振复合单元声子晶体结构的低频带隙特性研究

本文提出了一种新型局域共振复合单元声子晶体结构, 并结合有限元方法对结构的带隙机理及低频共振带隙特性进行了分析和研究. 共振带隙产生的频率位置由所对应的局域共振模态的固有频率决定, 并且带隙宽度与局域共振模态的品质因子及其与基体之间的耦合作用强度有关. 采用局域共振复合单元结构可以实现声子晶体的多重共振, 在低频范围能打开多条共振带隙, 但受到共振单元排列方式的的影响. 由于纵向和横向局域共振模态的简并, 复合单元结构能在200 Hz以下的低频范围打开超过60%宽度的共振带隙, 最低带隙频率低至18 Hz. 这为声子晶体结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法. 关键词： 局域共振 低频带隙 复合单元 声子晶体     

嵌入压电基底蜂窝状声子晶体声表面波带隙特性

提出了将部分镍圆柱体镶入128°YX-LiNbO₃基底的二维蜂窝状压电型声子晶体。用有限元法结合低反射边界条件计算并分析了该结构的能带结构与传输损失。结果显示:与倒圆锥体结构相比,镶入型结构具有更低的声表面波(SAW)带隙,原因是将部分柱体嵌入到基底中增加了共振体的质量。通过分析带隙边缘处振动本征模态结合传输损失发现,第一SAW带隙是由局域共振机理打开,第二SAW带隙同时具有Bragg散射特性和局域共振特性。应用质量弹簧振动系统估算了第一SAW带隙的起始频率,结果为82.98 MHz。此外,讨论了柱体几何参数对带隙特性的影响。该研究为微米尺度SAW声子晶体的带隙调控奠定了一定基础。      

二维空心散射体声子晶体板的低频带隙特性及其形成机理

利用有限元方法,对设计的涂有硅橡胶包裹层的空心铅柱体嵌入到4个环氧树脂短连接板中构成的声子晶体板的低频带隙特性进行了研究,分析了其能带结构、传输损失及位移场。与正方连接板粘连结构、嵌入结构和细连接短板粘连结构这3种传统声子晶体板的带隙特性作对比,说明具有包裹层、短连接板结构的声子晶体板更容易产生低频宽带;观察位移矢量场的振动模态,并结合弹簧质量模型,解释了带隙形成的机理;通过讨论连接板的宽度、散射体的内外半径及高度对第一完全带隙的影响,说明连接板宽度越窄,厚度越小,散射体内半径越小,外半径越大,高度越高,越有利于带隙的扩展。      

基于Timoshenko梁模型的周期充液管路弯曲振动带隙特性和传输特性

充液管路的固液耦合振动广泛存在于各种工程领域中,对其弯曲振动控制进行研究具有重要意义.将声子晶体的周期性思想引入到管路结构设计中,将管壁设计成沿轴向交替排列的周期性复合结构.基于Timoshenko梁模型,采用传递矩阵法计算了固液耦合条件下周期管路结构的弯曲振动能带结构及其传输特性,同时分析了材料阻尼系数、周期和非周期支撑对带隙特性的影响.充液周期管路结构的弯曲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. 关键词： 声子晶体 充液管路 振动带隙     

用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体*

低频振动的控制是评估汽车舒适性的重要指标。针对汽车板件结构的低频振动控制问题,提出了一种基于局域共振机理的新型准二维声子晶体板。其结构由单侧复合圆柱共振单元周期排布在基板上构成。通过有限元方法得到了该结构的带隙特性,并结合其振型和传输谱分析了低频完全带隙的形成机理。研究表明,不同形式的板振动模式与圆柱共振单元的局域共振模式相互耦合形成面内带隙与面外带隙,两者叠加形成完全带隙。进一步研究发现,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极低频范围,可在低于100 Hz的频段形成完全带隙,并可在更宽的频带内抑制z方向振动的弯曲波,为声子晶体在车身板件减振中的实际应用提供了依据。     

多振子梁弯曲振动中的局域共振带隙

从梁的弯曲振动方程出发,利用传递矩阵法,给出了无限周期结构的一维多振子声子晶体梁的弯曲振动能带结构,并利用有限元方法计算了有限周期结构梁的弯曲振动频率响应.建立了多振子声子晶体梁的简化模型,推导出带隙起始截止频率公式.结果表明:一维多振子声子晶体梁具有比单振子声子晶体梁更宽更丰富的振动带隙,可应用于呈倍频关系的减振降噪中;振动在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减;所建立的简化模型与理论模型结果符合较好.研究工作为梁类结构的减振提供一种新的思路.     

内插扩张室声子晶体管路带隙特性研究

声子晶体管路的带隙特性,可以实现管路系统在特定频率下的噪声控制.利用二维模态匹配法推导出单个内插扩张室元胞的传递矩阵,结合Bloch定理,得到声子晶体管路的能带结构计算方法;验证了二维方法在计算能带结构时的准确性.研究发现,内插扩张室声子晶体管路存在布拉格带隙和局域共振带隙.进一步研究了晶格常数以及内插管长度对能带结构的影响,结果表明,晶格常数主要控制布拉格带隙,而内插管长度对局域共振带隙有较大的影响,并研究了两种参数变化下的带隙耦合.研究结果可以为管路降噪设计提供新的思路.     

流固耦合声子晶体管路冲击振动特性研究

流固耦合管路系统广泛应用于各种装备中,通常用来传递物质和能量或者动量.由于流固耦合效应,管壁在流体作用下易产生强烈的振动与噪声,对装备安全性、隐蔽性产生严重影响,甚至造成严重破坏.流固耦合管路振动抑制需求迫切,意义重大.声子晶体可以利用其带隙特性抑制特定频率范围内弹性波的传播,在减振降噪领域具有广泛的应用前景.本文基于声子晶体理论,研究了流固耦合条件下的布拉格声子晶体管路冲击振动传递特性.将传递矩阵法和有限元法相结合,计算了能带结构与带隙特性,重点考虑了流固耦合效应下,不同冲击激励条件下声子晶体管路振动特性,分析了流固耦合对声子晶体管路振动传递特性的影响.研究结果为流固耦合条件下管路系统的振动控制提供了技术参考.     

基于波传播法的周期复合板振动带隙衰减特性研究

运用波传播法对有限和无限周期对边简支复合板的振动带隙衰减特性进行了研究.在建立相邻板结构边界连续方程的基础上, 分别运用传递矩阵和Bloch定理建立了有限和无限周期复合板的耦合运动方程, 并详细对比分析了有限和无限周期复合板带隙衰减特性的关联关系.研究表明: 周期板结构的振动带隙频率范围与激励方式和激励位置是相关的, 若周期复合板在宽度方向按某阶模态进行线激励, 则该激励下的振动带隙与无限周期复合板在该阶模态下的振动带隙是一致的; 若周期板在点激励作用, 则该点激励下的振动带隙是参与振动的各阶模态振动带隙的交集. 此外, 还进一步研究了结构阻尼对振动衰减带隙的影响. 关键词： 周期复合板 带隙衰减特性 波传播法 结构阻尼     

二维声表面波压电声子晶体在射频段的时域有限差分法

对二维声表面波压电声子晶体在射频段的带隙特性,进行了时域有限差分法(FDTD)理论推导和计算,并提出实验方法对比验证。FDTD计算模型考虑了压电效应,引入周期边界条件以节省计算空间和时间,采用完全匹配层以解决声表面波在截断边界处的虚拟反射问题。实验上分别设计有/无二维压电声子晶体的两种宽频带延迟线结构,测量两种延迟线的传输系数取差值,得到了二维压电声子晶体的带隙;其中通过时域加窗函数保留一次传输信号,进行干扰信号的去除。以铝/128°YX-LiNbO3二维压电声子晶体为例,该FDTD方法、商业有限元软件COMSOL、实验方法均得到了100500 MHz射频段内的多个带隙,三种带隙对比证明了FDTD计算带隙与实验测量带隙一致,比COMSOL计算的计算带隙精度更高。      

Designing a broad locally-resonant bandgap in a phononic crystals

Producing a broad locally-resonant bandgap for low frequencies in a phononic crystals is a challenging task, using conventional methods. In this paper, we describe the design of a broad, locally-resonant, bandgap in a phononic crystals using a numerical simulation. The structure consists of periodic double-sided novel composite sonators, deposited on a 2D locally-resonant phononic-crystals plate made of a rubber-filler array, which is embedded in an epoxy plate. Using the finite element method, we calculate the dispersion relations, the power-transmission spectra, and the displacement fields for the eigenmodes. Our results confirm that, the new structure facilitates a significant increase in absolute bandwidth (by a factor of 4.2) compared to conventional phononic crystals. It also broadens the range of elastic wave attenuation. The formation mechanisms that generates the broad locally-resonant bandgap is explored numerically. The simulation indicates that the formation of this bandgap is possible due to coupling between the entire vibration mode of the novel composite-resonator and the Lamb-wave mode of the 2D locally-resonant phononic-crystals plate. The bandwidth of the locally-resonant bandgap is determined by the resonator mode. This study opens new possibilities to broaden locally-resonant bandgaps of phononic crystals for low frequencies. The results can potentially be used to reduce vibration and noise in many applications.     

类声子晶体结构对超声塑料焊接工具横向振动的抑制

利用声子晶体的带隙理论以及耦合振动理论对大尺寸矩形超声塑料焊接工具的耦合振动进行了研究.在实际工程应用中,大尺寸工具的横向振动将严重导致工具头辐射面位移不均匀,影响系统的焊接质量及工作效率.为提高其工作效率,改善工具头辐射面位移的均匀程度,利用类声子晶体结构对大尺寸超声塑料焊接工具的横向振动进行抑制,分析并得出了类声子晶体结构的横向振动带隙,同时分析了工具头横向振动未抑制与抑制后其辐射面位移的大小与均匀程度.研究表明,通过合理设计类声子晶体的结构及尺寸,可以有效抑制超声塑料焊接工具的横向振动.不但改善了焊接工具辐射面纵向振动位移的均匀程度,而且提高了焊接工具的纵向振动位移幅度.     

Simulations on the wide bandgap characteristics of a two-dimensional tapered scatterer phononic crystal slab at low frequency

Aiming at the problem of low-frequency vibration and noise reduction in the engineering field, a new two-dimensional tapered scatterer phononic crystals slab is designed and the bandgap characteristics and displacement vector field of the model are simulated by means of finite element method. The numerical simulations show that an extremely wide complete bandgap can be achieved at low frequency. Compared with the reference model [Acoust. Phys. 65 (2019) 322], the first complete bandgap of the designed model has a lower starting frequency and a wider bandgap which is expanded by nearly 15 times. Moreover, the mechanism of bandgap generation is analyzed, the influences of geometric parameters and structure symmetry on the band structure are also investigated.     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

Helmholtz腔与弹性振子耦合结构带隙

为提高Helmholtz型声子晶体低频隔声性能,设计了一种Helmholtz腔与弹性振子的耦合结构,通过声压场及固体振型对其带隙产生机理进行了详细分析,建立了相应的弹簧-振子系统等效模型,并采用理论计算和有限元计算两种方法研究了各结构参数对其带隙的影响情况.研究表明,该结构可等效为双自由度系统振动,在低频范围内具有两个带隙;在6 cm的尺寸下,其第一带隙下限可低至24.5 Hz,而同尺寸无弹性振子结构只能达到42.1 Hz,带隙下限降低了40%,较传统Helmholtz结构具有更为优良的低频隔声特性.另外,在框体尺寸一定的情况下,降低结构间距、增大开口空气通道长度及振子质量、增大左侧腔体体积等方式,是增大带隙宽度、提高低频隔声效果的主要手段.     

新型二维压电声子晶体板带隙可调性研究

设计了一种由涂有硬质材料涂层的柱状压电散射体周期性连接在四个环氧树脂薄板上构成的具有大带宽的新型二维压电声子晶体板,并利用有限元方法计算了该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场.研究表明：与二组元材料构成的传统声子晶体板相比,新设计的声子晶体板的第一完全带隙频率更低,并且带宽扩大了5倍;通过在压电体表面上施加不同的电边界条件,可以实现多条完全带隙的主动调控;压电效应对能带结构有很大的影响,并且有利于完全带隙的扩大与形成.基于带隙的可调谐性,分析了可切换路径的压电声子晶体板波导,结果表明可以通过改变电边界条件来限制弹性波能量流.     

基于二维声子晶体结构的大尺寸超声 塑料焊接系统*

在大尺寸的圆柱形超声塑料焊接系统的工具头上加工周期性槽,形成一种二维声子晶体结构。对基于二维声子晶体结构的圆柱形工具头进行了声子晶体的带隙分析,并对优化设计后的该超声塑料焊接系统进行数值模拟。探讨了开槽前后超声塑料焊接系统振型的变化以及工具头输出端面纵振动的位移分布。研究结果表明,二维声子晶体结构能有效地抑制横向振动,增强纵向振动,并均匀输出端面的振幅,可以实现对超声塑料焊接系统的优化设计。     

Quality enhancement and insertion loss reduction of a rectangular resonator by employing an ultra-wide band gap diamond phononic crystal

We report on an ‘in plane mode’ band gaps investigation of a novel diamond CRS (circle-rectangle-square) shaped holey phononic crystals in the desired operating frequency ranges. An ultra-wide band gap for diamond in the ‘in plane mode’ is observed. We also investigate an ultra-wide acoustic band gap for a finite one-dimensional (1D) diamond CRS phononic crystal (PnC) in the ‘out of plane mode’, and an ultra-wide acoustic band gap of a finite two-dimensional (2D) diamond CRS phononic crystal (PnC) in the ‘out of plane mode’ based on the FEA (Finite Element Analysis) method. We analyze that the transmission response of diamond in the length extension and width extension manner is more reasonable. Ultra-wide peak attenuations in the transmission spectra of a CRS shaped diamond phononic crystal successfully reveal the complete band gaps. The wide band gap of a CRS shaped diamond phononic crystal and the wide peak attenuation strongly agree in the same frequency region. It is analyzed that when a CRS-diamond phononic crystal is employed for MEMS resonators with different tether widths the quality Q of the resonators improved, and the energy losses decrease with extremely low insertion loss. In addition, it is observed that the vibrational displacement of a resonator is reduced by employing a diamond phononic crystal.     

Analysis on vibration characteristics of large-size rectangular piezoelectric composite plate based on quasi-periodic phononic crystal structure

Based on the theory of composite materials and phononic crystals (PCs), a large-size rectangular piezoelectric composite plate with the quasi-periodic PC structure composed of PZT-4 and epoxy is proposed in this paper. This PC structure can suppress the transverse vibration of the piezoelectric composite plate so that the thickness mode is purer and the thickness vibration amplitude is more uniform. Firstly, the vibration of the model is analyzed theoretically, the electromechanical equivalent circuit diagram of three-dimensional coupled vibration is established, and the resonance frequency equation is derived. The effects of the length, width, and thickness of the piezoelectric composite plate at the resonant frequency are obtained by the analytical method and the finite element method, the effective electromechanical coupling coefficient is also analyzed. The results show that the resonant frequency can be changed regularly and the electromechanical conversion can be improved by adjusting the size of the rectangular piezoelectric plate. The effect of the volume fraction of the scatterer on the resonant frequency in the thickness direction is studied by the finite element method. The band gap in X and Y directions of large-size rectangular piezoelectric plate with quasi-periodic PC structures are calculated. The results show that the theoretical results are in good agreement with the simulation results. When the resonance frequency is in the band gap, the decoupling phenomenon occurs, and then the vibration mode in the thickness direction is purer.