薄膜型声学超材料板结构隔声特性分析

针对发动机产生低频噪声引起驾驶员生理异常影响战机飞行品质的问题,提出一种薄膜型声学超材料板结构模型进行减振降噪.采用模态分析法对薄膜声学材料的基本特性进行分析,并结合有限元对平板结构模型隔声机理、隔声量影响因素进行了研究.结果显示:隔声量是弹性波与薄膜相互作用声能量衰减的结果,弹性波衰减速度直接影响隔声性能.结果表明:通过改变结构参数,则第一隔声峰处的隔声量增大,第一波谷的频率变化很小,同时薄膜的第一隔声峰向低频移动.     

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。     

双迷宫型通道Helmholtz周期结构的低频带隙机理及隔声特性

为了解决飞机舱室中的低频噪声问题,本文设计了一种双迷宫型通道的Helmholtz周期结构。迷宫型开口通道的设计能够大大增加Helmholtz腔开口通道的长度,有效降低低频带隙下限,双通道的设计能够增加声子晶体局域共振的区域,可以增加低频带隙数目。本文采用有限元法(FEM)得到了该结构在0~500 Hz频率范围内的能带结构及隔声特性,经过深入研究发现,该Helmholtz 周期结构在0~500 Hz范围内存在多个低频带隙,且在低频范围内表现出较好的隔声特性。为了揭示其带隙产生机理,本文通过声-电类比方法建立了该结构的等效电路模型,并通过有限元法和等效电路模型,对低频带隙影响因素进行了详细分析。结果表明,增加开口通道的长度能够降低带隙起始频率,较小的晶格常数有利于拓宽带隙宽度。本文的研究进一步探索了声子晶体结构设计对带隙的影响,为解决飞机舱室的低频降噪问题提供了新方法。     

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。     

仿生声学超材料的声波控制及水下应用研究进展

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,比如:负质量、负刚度等。声学超材料通过对其声学特性参数的研究和控制可以实现声隐身、波束控制等功能。与传统声学材料相比,声学超材料具有设计性强、拓展性强等优点,可以突破传统声学材料的物理极限,为小尺寸、轻量化结构解决低频减震降噪、低频宽带声波控制等瓶颈问题提供新思路。仿生学是利用生物学原理发展起来的新兴学科。将仿生学与声学超材料相结合,国内外学者开展了大量的研究工作,尤其在空气动力学及流体动力学降噪方面取得了卓越的研究成果。本文简要回顾过去几十年仿生声学超材料的研究进展,并介绍了相关的代表性工作,期望未来仿生声学超材料能够在低频声波控制、水下应用等方面发挥更大的作用和优势。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

局域共振声子晶体的离散化及其线缺陷研究

提出了一种局域共振声子晶体基本模型,将其散射体离散化,研究了二者的能带结构及隔声曲线.采用有限元法结合超原胞技术,将离散模型引入基本模型组成的超原胞中,研究了多种形式的线缺陷对能带结构及隔声曲线的影响.结果表明,离散模型比基本模型具有更宽的带隙,同时隔声效果更好;通过引入线缺陷,可以在能带结构中产生缺陷带,声波被局域在缺陷处只能沿缺陷传播,缺陷带的数量及位置受到线缺陷形式的影响;同时,线缺陷形式影响隔声效果,横向和纵向复合线缺陷隔声效果最好.研究结果可以为声子晶体的实际工程应用提供一定的理论参考.     

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。     

高Q值太赫兹传感器的设计与性能仿真分析

本文设计了一种非对称金属十字单元结构，该结构由沉积于石英基底上的两个相互垂直共面金条构成。传统的金属十字结构中常用的LC谐振和偶极子谐振的辐射损耗较大，限制了超表面传感器实现高品质因子和高透射率，故通过打破传统金属十字结构的对称性，引入类Fano共振效应，从而使得透射峰灵敏度达到了218 GHz/RIU,传感器的品质因子达到了78.3。通过分析该超表面的电场和表面电流分布，探究了Fano共振效应的物理机制，并进一步研究太赫兹传感器的结构参数对透过谱的影响，通过调整结构参数优化该传感器的传感性能。最后，设计了具有不同共振频率的非对称金属十字太赫兹传感器以便后续用于不同种类的微量氨基酸溶液的检测。     

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.     

类正方阿基米德格子声子晶体带隙稳定性实验研究

基于平面波展开法和超声浸水透射技术,理论和实验研究了二维(32.4.3.4)格子钢/水声子晶体带隙性质.与正方晶格钢/水声子晶体相比,类正方(32.4.3.4)格子能够打开高频带隙,并进一步讨论了第一布里渊区Γ-X、Γ-M方向层厚和方向带隙稳定性关系,这为设计有限尺寸隔声材料提供依据.结果表明:带隙的频率范围和理论计算很好吻合.     

LST-92kHz型低频窄带石英晶体滤波器研制

利用由两只压电石英长方片晶体所构成的单节差接桥型滤波电路,设计并研制了LST-92kHz型的低频、窄带、带通型压电石英晶体滤波器,较好地实现了器件所要求的各项技术指标.所解决的关键技术问题是:92kHz低频滤波晶体半成品的设计、Bw3dB≥±5Hz的窄带宽的实现、在-10℃～+50℃工作温度范围内确保中心频率偏移不大于±1Hz等.晶体的切型为x+5°、面弯曲振动模式.     

溶胶-凝胶法BazTiSi2O8铁电薄膜的制备及结构表征

采用溶胶-凝胶工艺在Si(100)衬底上制备了Ba2TiSi2O8(BTS)薄膜。通过XRD衍射、傅立叶红外(FT-IR)、拉曼(Raman)散射光谱和原子力显微镜(AFM)对薄膜的显微结构进行了表征。AFM分析显示，BTS薄膜表面光滑，晶粒尺寸在0．30～0．50μm。薄膜结构分析表明：随着退火温度的增加，BTS薄膜的结晶度增加，薄膜结构变得更加致密。同时，随着退火温度的升高，晶胞尺寸出现了收缩，导致了BTS薄膜的四方比c／a从0．613上升到0．618，将对薄膜的压电性能产生影响。     

CuSCN空穴传输层工艺对钙钛矿电池性能的影响

采用溶液法制备了硫氰酸亚铜(CuSCN)薄膜,并将其作为空穴传输层制备了平面n-i-p型钙钛矿太阳电池.系统考察了CuSCN薄膜退火温度、旋涂转速对钙钛矿太阳电池性能的影响.研究结果表明,CuSCN薄膜在70 ℃下退火10 min可以获得较好的电池性能;在此基础上通过调整旋涂转速至2000 r/min,控制CuSCN薄膜厚度约为240 nm,电池性能获得了进一步的提升,电池效率可达11.77;.该研究结果表明,CuSCN材料是一种有潜力的、低成本高性能无机空穴传输材料.     

方形晶格夹层板减振性能仿真与优化

采用显式有限元方法,以传输损耗系数(TLC)为评价指标,研究了以钢为边界、铜和硅橡胶交替填充的方形晶格夹层板的减振性能,分析了方形填充尺寸对结构减振性能的影响。首先建立方形晶格夹层板的有限元仿真模型,其次引入传输损耗系数作为目标函数,运用遗传算法对方形晶格夹层板的减振性能进行优化,针对不同应用场景,得到的优化结果表明方形晶格夹层板具有不同减振范围的可调谐性。最后分析优化后的拓扑结构在不同频率下的位移场,可以看出其仍是在局部共振机理作用下,表现出对低频弹性波的强衰减,为拓宽夹层板的低频减振性能与可制造性提供了新的设计思路。     

退火升温速率对LaNiO3薄膜结构和电学性能的影响

采用溶胶-凝胶法在SiO2/Si(100)衬底上制备了镍酸镧(LaNiO3,LNO)薄膜,并利用XRD、SEM、AFM和半导体参数分析仪等研究了退火升温速率对LNO薄膜结构和电学性能的影响.结果表明,溶胶-凝胶法制备的LNO薄膜呈现赝立方钙钛矿型多晶结构,呈(110)择优取向生长;薄膜表面平整、均匀、无裂纹.随着退火升温速率的增加,LNO薄膜的晶粒尺寸先增大后减小;其电阻率先减小后增大.在退火升温速率为20℃/min时,LNO薄膜晶粒尺寸达到最大值94 nm,电阻率达到最小值9.5 x10-4 Ω·m.