局域共振型加筋板的弯曲波带隙与减振特性

通过在加筋板结构上附加周期性排列的"弹簧-质量"共振子单元,构造了一种局域共振型加筋板结构.针对这种新型结构,基于有限元法和周期结构Bloch定理,建立了其弹性波传播与振动特性理论计算方法;采用该方法深入研究了局域共振型加筋板的弯曲波带隙特性和减振特性.研究表明,局域共振子能够对加筋板的弯曲波传播特性产生显著影响,一方面使其产生更加低频的带隙,另一方面还能拓宽其中高频带隙.进一步深入分析了共振子的弹簧刚度、共振子的质量对带隙特性和减振特性的影响,发现了有价值的带隙调控现象、规律和减振特性,可为局域共振型加筋板的带隙特性设计与工程减振应用提供理论指导和有益参考.     

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。     

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     

X形超阻尼局域共振声子晶体梁弯曲振动带隙特性

以声子晶体理论为基础,设计了一种具有超阻尼特性的X形局域共振结构,分析了周期性附加X形局域共振的梁弯曲振动传播特性.利用拉格朗日方程分析了X形局域共振结构动力学等效特性,揭示了该结构的阻尼放大的机理,分析了几何结构参数对于带隙特性的影响,并利用有限元法验证了X形局域共振结构的超阻尼特性.研究结果表明,周期性附加X形局域结构能够有效地抑制低频弯曲振动在梁中的传播,产生超阻尼特性,实现低频、宽带的减振效果,为结构的低频减振提供了一个新的设计方案.     

双开口Helmholtz局域共振周期结构低频带隙特性研究

设计了一种双开口Helmholtz周期结构,该周期结构单元采用双开口内外腔设计,基于多腔耦合局域共振机理,可大大增加局域共振区域,增加能得到较低的低频带隙特性.通过设计调节内腔弧长,可以使带隙移动,达到特定低频频段的隔声效果.在分析低频带隙形成机理和影响因素时,采用声电类比原理建立带隙起始频率和截止频率的计算数学模型并与有限元方法进行对比分析.研究表明:该结构具有良好的低频带隙特性,其最低带隙段为86.9—138.2 Hz.外径一定的条件下,低频带隙受内腔弧长、内外腔间隔以及周期单元结构间隔影响,内腔弧长越长,低频带隙越低;内外腔间距离越大,从而内腔体积变小,带隙向高频移动,其低频效果变差;减小结构间距对低频带隙起始频率无影响,但可以大大增加低频带隙截止频率,从而增加带隙宽度.该研究结论可以为低频降噪领域提供一定的实践和理论支持.     

局域共振型声学超材料薄板带隙特性的能量解法

研究局域共振型声学超材料的带隙特性时,面临的首要问题是寻求一种带隙特性的高效解法。为此,本文以局域共振型声学超材料薄板为研究对象,提出了一种基于能量泛函变分原理及正交多项式级数展开的带隙计算方法。该方法通过合并基体板及共振子的动、势能及外力功建立元胞的能量泛函,经过变分运算得到元胞的振动控制方程,进而引入第一类Chebyshev正交多项式作为基函数将控制方程进行离散。为克服无法直接对离散控制方程中的广义坐标施加周期边界条件的困难,该方法将连续边界条件弱化到若干选定的配点上以离散方式实现,并将对应的一组线性约束条件通过拉格朗日乘子法施加到系统中。仿真结果表明,该方法具有较高的计算精度和效率,并可应用于"局域共振子-夹层板"等复合结构的带隙特性研究。本文方法为局域共振型薄壁超材料的带隙求解提供了新的思路,丰富了声学超材料的振-声学理论,并为薄壁超材料的工程设计和优化提供了技术支撑。      

新型负模量声学超结构的低频宽带机理研究

提出了一种具有负模量特性的新型声学超结构,并揭示了其低频带隙的形成及拓宽机理.通过理论推导给出了该新型结构的归一化有效模量表达式,由于有效模量的零值点与系统参数密切相关,可以调节合适的参数使得零值点降低或带隙下界降低,进一步实现低频带隙.理论结果表明,在一定的频率范围内,系统的弹性模量为负且负模量区域进一步拓宽,从而通过负模量区域的放大而拓宽带隙.这种新的实现低频带隙的方法克服了传统局域共振附加质量过大及惯性放大结构带隙较窄的缺点.同时,通过有限元法得到的周期结构的传输率随着结构参数的变化趋势与理论分析的变化趋势基本一致,并得到了约40—180 Hz的低频宽带.这种实现低频带隙的新思路对低频声波的控制具有很重要的理论指导意义.     

一维准周期结构声子晶体透射性质的研究

提出了一维准周期结构的声子晶体模型.对弹性波通过该一维准周期结构声子晶体的透射系数进行了数值计算，并与周期结构的透射系数进行了比较.计算结果表明，弹性波通过一维准周期结构声子晶体时，同样会有带隙的出现，且带隙所在频率范围与周期结构的情形完全一样，不同的是在准周期结构声子晶体中，带隙内有很强的局域共振模.对此局域模性质的研究有助于声波或弹性波滤波器的制作. 关键词： 准周期结构 声子晶体 局域化     

复合局域共振梁结构带隙研究

该文将周期局域共振梁结构中的基体结构由单一材料发展成多相材料,建立了周期复合局域共振梁结构。由共振单元在单胞中的排列位置,考虑了三种构型,并利用传递矩阵方法计算了在弹性基底作用下这些结构产生的局域共振带隙性质。结果表明,与局域共振梁结构相比,复合局域共振梁结构产生的局域共振带隙对应的频率范围更宽,禁带范围内弹性波的衰减峰值和衰减均值更高。除此之外,该文还分析了局域共振结构、单胞尺寸、基体材料和局域共振结构中的阻尼对弹性波在空间中传播和衰减特性的影响,为满足特定的隔声隔振要求的结构设计提供了依据。     

超材料型周期管路声传播特性及低频宽带控制

船舶管路系统噪声的低频宽带控制是船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。将超材料理论引入船舶管路系统的结构设计,构造了具有低频声波带隙的一维周期管路结构,并给出了周期管路声波带隙和声波透射系数的计算方法。计算结果表明,该周期管路同时存在声波布拉格带隙和局域共振带隙。在这两种带隙频率范围内,声波在系统中的传播将被衰减抑制。进一步发现,布拉格和局域共振带隙在一定条件会发生耦合,出现带隙耦合展宽现象,且两种带隙存在精确耦合条件。利用带隙耦合的展宽效应和低频设计,可实现声波在低频范围内的传播操控,从而达到船舶管路系统低频噪声宽带控制的目的。      

Flexural vibration band gaps in thin plates with two-dimensional binary locally resonant structures

The complete flexural vibration band gaps are studied in the thin plates with two-dimensional binary locally resonant structures, i.e. the composite plate consisting of soft rubber cylindrical inclusions periodically placed in a host material. Numerical simulations show that the low-frequency gaps of flexural wave exist in the thin plates. The width of the first gap decreases monotonically as the matrix density increases. The frequency response of the finite periodic thin plates is simulated by the finite element method, which provides attenuations of over 20dB in the frequency range of the band gaps. The findings will be significant in the application of phononic crystals.     

Vibration reduction by using the idea of phononic crystals in a pipe-conveying fluid

Flexural vibration in a pipe system conveying fluid is studied. The pipe is designed using the idea of the phononic crystals. Using the transfer matrix method, the complex band structure of the flexural wave is calculated to investigate the gap frequency range and the vibration reduction in band gap. Gaps with Bragg scattering mechanism and locally resonant mechanism can exist in a piping system with fluid loading. The effects of various parameters on the gaps are considered. The existence of flexural vibration gaps in a periodic pipe with fluid loading lends new insight into the vibration control of pipe system.     

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。      

Absolute band gaps and waveguiding in free standing and supported phononic crystal slabs

Using the finite element method (FEM), we investigate the existence of absolute band gaps and localized modes associated with a guide in thin films of phononic crystals. Two different structures based on two-dimensional (2D) phononic crystals are considered, namely a free standing plate and a plate deposited on a silicon substrate. The 2D phononic crystal is constituted by a square array of cylindrical holes drilled in an active piezoelectric PZT5A matrix. We demonstrate the existence of absolute band gap in the band structure of the phononic crystal plate and, then, the possibility of guided modes inside a linear defect created by removing one row of air holes. In the case of the supported plate, we show the existence of an absolute forbidden band in the plate modes when the thickness of the substrate significantly exceeds the plate thickness.     

Large Lamb wave band gap in phononic crystals thin plates

We suggest that Lamb wave band gaps in one-dimensional phononic crystals can be substantially enlarged by using multiple heterostructures which consist of several pieces of phononic crystal with different ratios of the thickness to the lattice period. This is possible because each substructure shows a different band gap and the band structure of a Lamb wave is strongly affected by the ratio of the plate thickness to the lattice period. This effect has been demonstrated by using finite element simulations on two different one-dimensional systems. PACS 63.20.-e; 62.65.+k; 41.20.Jb; 43.20.+g     

平板二维声子晶体声波能带结构研究

利用超元胞法,研究由钢板上生长有限长度的钢柱体形成的散射体嵌入环氧树脂基体中所构成的平板二维声子晶体的声波能带结构,分析散射体的几何参数如柱体的高、半径和板的厚度对声波带隙的影响。研究结果表明:(1)这种新型的声子晶体具有很宽的带隙,且带隙出现在低频范围内;(2)散射体的几何参数对带隙的宽度有很大的影响,它们是控制带隙宽度的主要因素。     

Flexural vibration band gaps in a thin plate containing a periodic array of hemmed discs

Using a periodic expansion by means of the Bloch theorem, the flexural vibration band gaps are studied in a thin plate with two-dimensional ternary locally resonant structures, i.e. a thin epoxy plate containing a periodic square array of lead discs hemmed around by rubber. The full band gaps of flexural vibration in the thin plate are obtained within which sound and vibration will be forbidden. The numerical results are used to show how the width of the first full band gap depends on the radius ratio of lead disc to hemmed disc, filling fraction, lattice constant (distance between the centers of the nearest lead discs) and thickness of the thin plate. It is observed that the gap width can be changed a lot by modulating these physical parameters.     

周期薄壁开口梁中的双耦合振动带隙

本文研究了由两种材料组合构成的周期性薄壁开口梁的弯曲和扭转双耦合振动。基于双耦合振动方程，给出了平面波展开法。当填充比不变时，晶格常数是影响带隙相对宽带的一个因素；当晶格常数和填充比不变时，杨氏模量是影响带隙宽带的主要因素，而不是密度。利用有限元法计算了有限周期结构的振动频率响应，在带隙频率范围内，振动衰减40dB左右。这些发现对于声子晶体的应用具有重要意义。     

LCR分流电路下压电声子晶体智能材料的带隙

将带有LCR分流电路的压电陶瓷片对贴在铝和环氧树脂组成的声子晶体结构中.使智能材料的机械振动与压电陶瓷的压电效应耦合起来,推导出机械振动在压电陶瓷片上的等效附加应力;使LCR分流电路中的电磁振荡效应和声子晶体的能带特性有机结合,计算了在分流电路作用下智能材料扭转和弯曲振动的带隙特性,研究了电阻、电感、电容元件的改变对压电声子晶体智能材料带隙的影响.研究结果表明:在合理尺寸下,随着分流电路中电阻值的增大,带隙的频率范围变宽,但衰减幅值有所降低;电感和电容值的增大都可以使带隙向低频移动,带隙的衰减幅值随着电感值的增大而升高,但随着电容值的增大而降低.从而给压电声子晶体智能材料减震降噪的控制提供了一种新思路.     

二维组合宽带隙材料的研究

运用FDTD(时域有限差分法)研究了弹性波/声波通过二维正方形排列的铁/水声子晶体的传播特性.发现铁/水声子晶体在高频范围存在完全带隙，软包层铁/水声子晶体在低频范围出现共振带隙，它们分别对应于不同的带隙形成机理.通过铁/水声子晶体和软包层铁/水声子晶体的组合，可以得到从高频到低频的组合宽带隙结构，从而达到在更宽频范围内控制弹性波传播的目的；而且通过调整包层的厚度、铁芯的大小、以及填充率等结构参数，可以有效地调节组合宽带隙的频率结构.