基于散射单元的声子晶体振动带隙研究

硬质芯体及其包覆层构成的复合结构称为散射单元,散射单元按照特定的排列方式可以构成声子晶体.文章采用有限元方法分别计算了立方散射单元构成的一维声子晶体及简单立方结构三维声子晶体的振动特性,结果表明,两种声子晶体的振动带隙有较好的一致性,因此,对三维声子晶体振动带隙的研究可以简化为对一维声子晶体振动带隙的研究.叠加层数、芯体材料对一维声子晶体振动带隙的影响在文中进行了讨论.最后,声子晶体的振动特性测试结果验证了文中的结论.     

二维压电声子晶体中声表面波的四阶散射矩阵理论

采用二维声子晶体四端口模型,提出了四阶散射矩阵理论描述二维声子晶体的方法.首先,考虑声子晶体在平面的二维特性,建立四端口的四阶散射矩阵.为了得到散射矩阵的参数,构建了叉指换能器中间放置声子晶体的器件模型,叉指换能器作为激发和接收端,声子晶体作为传输通道.然后,通过有限元软件计算出模型的电学参数,分别结合叉指换能器和声子晶体的混合矩阵(P矩阵)和四端散射矩阵,推导和计算出四阶散射矩阵的参数值.作为实例,128°YX铌酸锂基片上,制作了叉指换能器和圆柱孔声子晶体点阵,理论和实验上均得到反射、透射和散射系数,实验结果和理论计算结果较为吻合.     

二维声子晶体微腔能带结构的有限元分析与设计

本文基于ABAQUS建立了二维声子晶体体波能带结构的有限元计算方法.该方法首先利用周期性边界条件和Bloch定理,将周期结构的有限元离散特征方程化归到一个周期单胞内的复系数特征方程,然后将其分为实部和虚部两组方程,并在周期单胞边界上应用Bloch定理,求解得到的实数特征方程,获得频散曲线.与已有计算方法相比,该方法在适用性、计算速度、精确度和收敛性等方面具有明显的优越性.在此基础上使用发展的有限元方法分析研究了不同形状的声子晶体微腔的能带结构特性.结果表明这些晶体结构对于特定频率的声波可以将其限制在声子晶体微腔内,在一定环境下有着较好的吸声降噪功能.     

一种计算层状声子晶体弹性波带结构的无网格弱形式RBF方法

本文提出了一种基于紧致径向基函数(RBF)的无网格局部弱形式方法来计算层状声子晶体的能带结构.位移函数由一组径向基函数表示,利用变分原理,考虑周期边界条件,导出了单位单元RBF方法的一般形式.通过求解矩阵特征值问题可以得到能带结构.用有限元法对新的弱形式RBF方法进行了验证.对于不同的声阻抗比和长度比,通过数值算例进行讨论,显示所提出的弱形式RBF方法与有限元和强格式RBF方法相比计算层状声子晶体的能带结构的效率.     

二维声子晶体线缺陷聚声效应研究

基于数值方法研究了含线缺陷的二维声子晶体的聚声效应.利用结合超元胞技术的平面波展开法及有限元方法,分别对线缺陷二维声子晶体的能带结构及其内部声场分布规律进行了计算分析;以线缺陷轴线上声压梯度放大倍数表征聚声效果,分析了声子晶体结构参数对该放大倍数的影响规律.结果表明,填充率大、结构规模适当的二维线缺陷声子晶体具有更好的聚声效果;线缺陷的理想位置应在声子晶体的几何轴线上.此结果可为高效声能量回收器件的设计提供理论支持.     

ZCSC和CMSC晶体热学性质的理论研究

采用密度泛函理论计算了ZnCd(SeCN)4(简称ZCSC)和CdHg(SeCN)4(简称CMSC)晶体的声子色散谱、声子态密度,系统研究了这两种晶体的比热容、热膨胀率、热导率、热扩散率等热学性质.理论计算得到常温下ZCSC和CMSC晶体的比热容分别为0.454 J·g-1·K-1和0.374 J·g-1·K-1,而本文通过差示扫描量热仪实验测量这两种晶体的比热容分别为0.460 J·g-1·K-1和0.306 J·g-1·K-1,理论计算与实验结果相符.研究结果还表明ZCSC晶体的热导率及热扩散率均为CMSC晶体的5～7倍,而ZCSC晶体的热膨胀率约是CMSC晶体的1/3,因此ZCSC晶体是热学性质优异抗激光损伤能力强的非线性光学晶体.     

两类一维流固声子晶体全向透射特性比较研究

研究了声纵波全向入射到两类一维流固声子晶体(第Ⅰ类满足固体横波传播速度cst大于流体纵波传播速度c1以及第Ⅱ类cst＜cl)的透射特性.推导了其传递矩阵,并应用有限元方法进行验证,二者显示结果一致性.研究表明两类声子晶体呈现的不同声透射特征:第Ⅰ类声子晶体中,高频声波在斜入射角大于第二全反射临界角条件下发生全反射现象,而低频声波却呈现全反射贯穿效应;第Ⅱ类声子晶体中,在整个频段范围内均会出现周期性的透射导带.两类声子晶体均出现了低频声裂隙现象,第Ⅱ类声子晶体低频声裂隙角范围明显大于第Ⅰ类.     

基于磁流变弹性体的声子晶体带隙隔振研究

设计了一种基于磁流变弹性体的二维声子晶体隔振器,可用于中高频的机械设备隔振,并对其带隙特性进行分析.以圆柱形铅散射体按正方晶格排列在基体磁流变弹性体当中的二维声子晶体为模型,采用典型的平面波展开法和有限元法研究其能带结构和透射特性,分别计算了不同磁场和不同铁颗粒体积分数情况下声子晶体的带隙,并对禁带范围内的某一频率的位移场进行分析.结果表明:两种方法所计算的带隙结果吻合较好,最大误差为4.9;;铁颗粒体积分数保持不变,增大磁感应强度可以同时增加带隙的位置和宽度;一定的磁场环境下,增加铁颗粒体积分数,带隙位置上移,宽度基本不变;某一频率处,声子晶体的内部波场存在着共振现象.     

基于进化算法的一维多相声子晶体拓扑优化设计

带隙特性是声子晶体材料和结构的一个重要特征,在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值.控制和调整周期性微结构内的材料布局及属性,可以设计出所需特殊带隙要求的声子晶体.本文通过遗传算法和拓扑优化技术研究了一维三相声子晶体的优化设计,并给出了两个算例研究.结果表明,三相材料能够得到更好的隔振效果,对比两相材料,三相声子晶体能够大幅降低禁带频率,并得到高达99.21;的禁带.可见,利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的.     

布拉格型声子晶体弦的横向振动带隙研究

从弦的波动方程出发,采用传递矩阵法,分析了无限周期的布拉格型声子晶体弦的横向振动能带结构.研究表明布拉格型声子晶体弦具有横向振动带隙,弦内拉力对带隙特性有显著影响,可以方便地用于带隙调节.利用有限元软件和Matlab软件对有限周期的布拉格型声子晶体弦的横向振动传输特性分别进行了仿真和数值计算,结果表明带隙范围内表现出明显的振动衰减,不同拉力条件下的带隙变化也很好地验证了理论分析结果.     

基于有限元法与超胞法的结构声表面波缺陷态分析

简要介绍了有限元法与超胞法相结合计算结构声表面波缺陷能带结构的方法,理论上分析了缺陷型表面声子晶体的声限制和声波导.表面声子晶体由刻有周期性凹槽的刚性板构成,通过改变晶体中某一格点或某一排格点的几何参数可以构建点缺陷和线缺陷.利用有限元法与超胞法能够十分方便地计算出表面声子晶体的点缺陷和线缺陷对应的缺陷带结构以及特定频率声波局域在点缺陷与线缺陷的本征压力场.通过分析缺陷能带结构与本征压力场,可以直观地了解缺陷型表面声子晶体中的声限制和声波导.     

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。     

基于ISIGHT的二维手性声子晶体带隙最优设计

本文首先利用有限元仿真软件COMSOL计算了二维手性声子晶体的带隙,分析了散射体参数与韧带涂层参数变化对带隙的影响规律。在此基础上,确定手性声子晶体带隙最优设计的有效参数设计空间;然后基于ISIGHT优化设计平台嵌入遗传算法,开展二维手性声子晶体带隙的最优设计。在带隙的最优设计过程中,先以二维手性声子晶体的有效构型参数为设计变量,相对带隙宽度最大为目标,设计手性声子晶体单胞构型。再以此优化单胞构型为初始构型,以手性声子晶体的有效材料参数为设计变量,相对带隙宽度最大为目标,进一步实现二维手性声子晶体带隙的最优设计。本工作极大限度地挖掘了二维手性声子晶体带隙最优设计潜能,为充分发挥手性声子晶体在减振降噪中的作用提供了可靠有效的分析设计方法。     

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。     

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。     

用FDTD与高分辨率谱估计相结合计算二维声子晶体的能带

基于现代信号处理中的高分辨率谱估计方法,对用时域有限差分方法计算二维声子晶体能带的迭代过程所输出的数据序列做后处理.数值仿真结果表明,相对于基于Fourier变换的后处理方法,该后处理方法在保证对二维声子晶体本征频率的精确估算的同时,能明显减少时域有限差分方法的迭代步数.     

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。     

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.     

音叉型声子晶体能带结构研究

利用超元胞法研究音叉型散射体构成的声子晶体的声波带结构,分析音叉型散射体的几何参数(板的厚度,圆柱体的半径和高)对能带结构的影响.研究结果表明:这种新型的声子晶体比传统声子晶体具有更优的带隙,而且带隙的调节机制更为简单,结果还表明超元胞法是研究这一类声子晶体能带结构的一种有效方法.