一种腔室可调的Helmholtz型声子晶体的带隙研究

本文针对低频噪声的控制问题，设计了一种腔体结构可调的Helmholtz型声子晶体，该结构内腔由一活动伸缩螺杆连接的隔板分为上下两腔，并采用弓字形开口通道设计。采用有限元法对该结构的带隙特性与隔声特性进行了分析，并通过“声力类比”的方法构建了该结构在带隙起始频率与截止频率处的等效模型。研究表明，该结构在500 Hz以下频段内具有6条带隙，最低带隙频率可达31.34 Hz,且在每条带隙频段内都表现出了良好的隔声性能，最大隔声量可达111.95 dB。最后，通过调整伸缩螺杆，改变腔体结构布局，可将多条共振带隙相连，不仅可以构成一个较宽的带隙，而且可以达到调节隔声频段的目的。该设计为改善Helmholtz型声子晶体的隔声性能提供了新的设计思路。     

双局域共振Helmholtz声子晶体带隙研究

设计了一种双局域共振原理的Helmholtz型声子晶体结构,该结构采用U字型嵌套设计,分为内外两个腔,摆脱了内腔空气对带隙上限的影响,使得低频带隙上限得以大大提高.在分析低频带隙形成机理和影响因素时,将弹性杆-弹簧模型引入理论计算,使得简化模型计算精度得以提高.研究表明:该结构具有良好的低频带隙特性,其最低带隙范围为86.9～445.9 Hz.结构低频带隙主要受晶格常数、壁厚、细管宽度和长度的影响.在保持其它参数不变的情况下,带隙上限随晶格常数、壁厚和细管长度的增加而降低,随细管宽度的增加而增加;带隙下限随晶格常数、细管长度的增加而降低,随细管宽度、壁厚的增大而增大.该研究为低频噪声控制提供了一定的理论支持,拓宽了声子晶体的设计思路.     

基于Helmholtz共振腔的组合结构带隙特性研究

Helmholtz共振结构的声屏障在控制道路交通噪声方面具有潜在的应用前景。为有效提高特定频段的噪声控制,本文设计了一种主腔连接4个副腔的Helmholtz复合共振腔结构。首先,利用有限元法对共振腔模型进行计算分析,得出共振腔的禁带结构和声传播损耗曲线;其次,利用声-电类比法建立了Helmholtz共振腔的等效电路,并对带隙的产生机理进行分析;最后,讨论了结构参数对Helmholtz共振腔带隙的影响,并分析这些参数对第一带隙下限的影响机理。结果表明:声波在Helmholtz共振腔单元间同时存在相互作用和腔内谐振效应,能在晶格常数为60 mm的情况下获得范围为432.43~663.98 Hz的第一带隙,比单、双开口圆环带隙起始频率更低,且大部分频率范围的隔声量达到10 dB以上,最大隔声量超过90 dB,表现出良好的中频隔声特性;等效电路模型与有限元法的计算值的最大误差不超过10%且平均误差低于5%,建立的等效模型是合理的;结构参数对于带隙有较大影响,主要是通过影响共振腔内部气体的体积从而影响带隙。     

嵌套型C型管声子晶体低频带隙特性研究

提出了一种由多个C型管嵌套组合而成的二维亥姆霍兹共鸣器型声子晶体结构模型,使用有限元法对所提出结构的能带结构及其产生机理进行了分析.与传统C型管嵌套组合而成的声子晶体结构相比,该结构具有更加优越的低频特性,即可以在50 Hz以下的低频范围内打开带隙.将结构等效为“电感-电容”的等效电路模型,并推导出了带隙估算公式.结果表明,采用有限元法计算得到的带隙与数值估算结果具有较好的一致性.同时研究了主要结构参数对带隙的影响,数值结果表明,通过改变嵌套管数以及填充率等结构参数,能够实现在更宽的频率范围内进行带隙调制.     

局域共振二维声子晶体的低频带隙特性研究

针对低频带隙难以打开的问题,本文提出一种局域共振二维声子晶体结构,采用有限元法计算其能带结构,分析其带隙的形成机理和影响因素,并在此基础上对结构进行优化设计.结果表明:该结构可在200 Hz以下的频率范围内打开宽度70.56 Hz的完全带隙,起始频率低至39.77 Hz.等效刚度k一定的情况下,带隙起始频率由芯体的密度决定,而截止频率主要由基体边框密度决定.优化后的结构能够打开更低更宽的带隙,且对振动波的衰减性能提升.该结构具有优越的低频带隙特性,在地铁减振隔振领域中具有潜在的应用前景.     

大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究

针对低频声波的衰减问题，设计了一种大尺寸月牙盘非对称薄膜型声学超材料结构，利用有限元法计算了其传输损失和位移场。其结构尺寸可达100 mm,隔声频率降低至10 Hz,并在10～500 Hz的低频范围内展现出良好的隔声性能。与对称型薄膜声学超材料结构的隔声频带和隔声量相比，通过在单胞中引入不对称性，使得结构的低频隔声频带拓宽了23 Hz。通过模态分析发现，不对称性使薄膜声学超材料产生更多的振动耦合模式，Lorentz共振与Fano共振的同时存在提升了月牙盘型非对称结构的隔声性能。同时，薄膜和质量块的尺寸与偏心量等参数变化可进一步优化隔声效果，为声屏障低频隔声效果的提升在结构优化设计方面提供了一种解决思路。     

多重开孔式声子晶体隔声特性研究

设计了一种多重开孔式局域共振声子晶体结构,结合有限元方法计算结构的带隙和隔声特性,并进一步分析了影响隔声效果的因素.结果表明,该结构在41～1500 Hz范围内存在一个较宽的完全带隙和两个较宽的方向带隙.隔声峰出现的位置与带隙频率范围相对应.通过增加内部金芯体的半径,减小包覆层硅橡胶孔的尺寸,可以取得更好的隔声效果.通过在结构中新增一层复合层,可使整体结构的隔声性能进一步优化.     

二维局域共振周期格栅结构的低频振动带隙特性研究

为了解决周期格栅结构在低频领域的振动问题，基于局域共振机理，本文设计了一种新型复合二维周期格栅结构，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，并在此基础上对结构进行优化设计。分析发现，仅对包覆层结构进行优化，便可大幅降低带隙的起始频率。带隙的位置由对应局域共振模态的固有频率决定，通过改变结构的材料和尺寸参数可以将带隙调节到满足实际工程应用的范围。数值仿真结果与试验测试结果一致，该结构可在40～90 Hz的低频范围打开宽度50 Hz的完全带隙，最大振动衰减达到36 dB。这种结构设计为周期格栅结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法，具有潜在的应用前景。     

局域共振型圆柱壳类声子晶体带隙特性研究

针对圆柱壳结构的减振问题,本文提出一种局域共振型圆柱壳类声子晶体结构,通过在圆柱壳圆周方向布置弹簧振子实现.该声子晶体的能带结构研究结果表明,该结构能够形成两条低频带隙,一条带隙的起始频率低至650 Hz,带宽为330 Hz,另一条带隙具有更低的频率范围,为0～371 Hz,带隙的形成是由于圆柱壳和弹簧振子振动的耦合.进一步分析了声子晶体的圆柱壳质量与弹簧振子的质量比、弹簧振子的刚度和元胞宽度对带隙的影响.对有限周期圆柱壳结构的传输特性分析,验证了局域共振型圆柱壳声子晶体在带隙范围内的抑制振动的能力.研究结果为圆柱壳结构的减振问题提供了理论参考.     

二维连接板式声子晶体低频带隙仿真研究

为了能够控制低频噪声,设计了一种二维连接板式声子晶体。运用有限元法计算了该结构的色散曲线及位移场。结果表明,所设计结构在29.37~354.07 Hz存在带隙。与文献模型相比,该结构的起始频率更低,带隙更宽,说明连接板结构声子晶体更容易获得低频带隙。通过位移场的振动模态分析,并结合质量-弹簧模型,解释了带隙产生的原因。在此基础上,讨论了连接板宽度和硅橡胶包覆层开孔半径大小对带隙的影响,随着连接板的宽度减小以及硅橡胶包覆层上孔的半径减小,该结构的带隙逐渐变宽。     

超胞声子晶体板的轻量化设计与研究

由于局域共振型声子晶体板具有优秀的低频声学特性,相关的研究越来越丰富,但多为实验室环境下的研究,对其工程应用方面的轻量化研究存在不足。因此,本文以变电站低频噪声为应用背景,提出一种局域共振型声子晶体板轻量化设计方法。基于此方法,设计出一种针对变电站噪声频谱特性的轻量化超胞声子晶体板。研究发现,此声子晶体板在50 Hz和100 Hz同时具有明显的声传输损失峰,隔声量分别为67 dB和48 dB,并通过振型位移及声压级复合声强流线图对其隔声机理进行了分析研究。本研究对今后声子晶体板的工程应用和变电站噪声控制都具有指导意义。     

含谐振单元和弹性支承谐振单元的声子晶体低频禁带特性研究

在结构中周期性地添加谐振单元可以构造局域共振声子晶体并产生低频禁带。本文提出了一种具有谐振单元和弹性支承谐振单元的声子晶体结构,通过声子晶体理论和振动理论对该结构的禁带特性和禁带调控特性进行了计算与分析。结果表明,该结构可在0 Hz处形成禁带;禁带内对振动的衰减强度由衰减因子和有限结构周期数共同决定;结构中存在1条可调控禁带和3条不可调禁带;可调控禁带可以通过改变谐振单元和弹性支承谐振单元的结构参数加以调控;不可调禁带包括第一禁带,它们能够较为稳定地对一定频率的弹性波产生衰减作用。该结构所具有的禁带特性在管路、桥梁和汽车减振领域具有潜在应用。     

隔声超构材料的研究进展

声学超构材料的概念起源于局域共振型声子晶体。作为一种新型复合人工结构材料,声学超构材料具备许多优异的特性,如相对于传统隔声材料可以灵活、精准地操控声波,采用小型化、轻质化的结构解决宽频带、低频隔声等问题。本文综述了声学超构材料在隔声方面的最新研究进展,从带隙理论和表征参数出发论述了声学超构材料隔声机理,重点介绍了相关代表性工作,包括Helmholtz式隔声超构材料、薄膜薄板式隔声超构材料、折叠卷曲空间式隔声超构材料以及组合式隔声超构材料的设计理念和方法,最后对这一新兴领域的应用进行了展望。     

单面柱局域共振声子晶体低频带隙特性分析及结构改进研究

基于有限元法对单面柱局域共振声子晶体进行带隙特性分析,研究了结构参数对该类型声子晶体的影响。结果表明:随着散射体高度的增加,单面柱声子晶体的第一完全带隙的起始频率逐渐降低,带宽逐渐增大;随着基板厚度的增大,单面柱声子晶体的起始频率逐渐升高,截止频率先增大后减小。并且在经典单面柱声子晶体的基础上,组合了两种新型的三组元单面柱声子晶体结构:嵌入式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅰ)和粘接式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅱ)。通过对其带隙特性的分析得出:这两种新结构与经典的单面柱声子晶体相比,都具有更低频的带隙,这对于低频减振降噪是非常有利的。本文的结果将对实际的工程应用提供一定的理论指导。     

开口圆环类声子晶体传播禁带特性研究

为衰减中低频振动噪声,本文设计了一种非严格对称的开口圆环类声子晶体结构,基于有限元法和弹性波理论分析了其禁带特性和各方向的振动衰减性能;结合系统的振动模态解释了带隙打开和关闭的原因,并分析了几何参数对带隙宽度的影响规律。结果表明:由于晶体的非严格对称,仅ΓX方向的传输损耗和禁带特性吻合,且衰减性能优于MΓ方向,禁带内平均衰减27.8 dB,同比提升了5.5 dB。禁带内几乎没有产生位移变形量,而通带因无法抑制弹性波传播导致变形量显著增大;芯体的水平和旋转运动是带隙起始、截止的明显标志。以钨为芯体,能获得起始频率和带宽均为500 Hz的低频带隙,增大芯体的材料密度、填充率和晶格尺寸有助于获得较低频率的完整带隙。     

二维嵌套复式结构声子晶体的带隙研究

用小尺寸多圆柱阵列替代简单晶格中的每个单圆柱基元,构成一种全新的嵌套复式正方周期结构二维声子晶体.借助于平面波法计算了其带隙结构,得出了带隙分布图,讨论了基元阵列的内组合方式及总填充率对带隙范围和带隙数目的影响,并与简单晶格进行比较,从理论上验证了嵌套复式声子晶体利用小尺寸圆柱阵列展宽带隙及增加带隙数目的可行性.     

非均匀局域共振型声子晶体隔声特性研究

建立局域共振声子晶体单元结构模型,通过有限元方法研究了阵列排布、填充率排列及散射体厚度排列对非均匀声子晶体隔声特性的影响,以期使各类非均匀声子晶体结构在不同频段发挥隔声效果及减少隔声频段内的局部衰减.结果表明,散射体靠近入射方向的阵列排布具有较大的隔声量;填充率由中间列向两端递增的形式下局部衰减情况较少;散射体厚度由中间列向两边减小的排布适合中高频隔声,由中间列向两边增大的排布适合低频隔声;分别由铝振子、钢振子、铅振子构成的声子晶体在低频段具有相似的隔声特性,中高频处的隔声频段随着振子密度的增加向低频段移动.此结果为非均匀声子晶体获得良好降噪效果提供了理论支持.     

管道超结构轴向带隙特性分析及实验研究

本文提出一种新型管道超结构元胞构型，其轴向振动带隙包括局域共振型和布拉格(Bragg)散射型两种带隙，该结构在2 500 Hz内共有两阶带隙，且第二阶带隙频率范围较宽。分别应用传递矩阵法和有限元法计算了该结构的能带结构分布及有限周期结构传输特性；搭建了包含4个元胞的管道超结构实验平台进行振动测试，并与计算结果进行对比验证；最后讨论了不同参数对其带隙分布的影响规律。结果表明，所研究管道超结构在2 500 Hz内共有两阶带隙，第一阶带隙主要为局域共振型带隙，凸台和振子的几何尺寸对其影响较大，元胞尺寸对其影响较小。第二阶带隙主要为布拉格散射型带隙，带隙宽度可达923 Hz,该带隙分布随元胞长度、凸台长度和振子厚度改变而改变。合理设计结构各部分几何尺寸，可满足工程中特定频段抑振的需求。