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.     

遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用

运用自适应遗传算法对二维声子晶体的带隙宽度进行优化设计，并与平面波展开法相结合，研究了由正方形排列的铅-环氧树脂构成的声子晶体的带隙宽度优化问题，发现自适应遗传算法可以有效地搜索到具有较宽完全声子带隙的优化单胞形式. 关键词： 声子晶体 声子带隙 遗传算法     

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。     

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.     

管柱型近周期声子晶体点缺陷结构的大尺寸压电超声换能器

大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小,振幅分布不均匀,严重影响系统的性能和可靠性.为了改善大尺寸超声振动系统性能,可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制,但在对横向振动抑制的同时,该结构会对换能器机械强度和工作带宽等性能参数造成不利的影响.针对这一问题,本文提出利用管柱型近周期声子晶体点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化的新思路.该方法不仅可以利用构造的固/气二维近周期声子晶体结构的点缺陷模式,获得极低的能量损耗,有效提高系统辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度;也可以利用管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射,使得换能器在管柱柱高较低的条件下产生禁带,在有效抑制横向振动的同时,大幅拓宽换能器系统的工作带宽,增强系统的稳定性和机械强度,降低加工成本.仿真结果证明了优化的有效性.     

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.     

大弹性常数差二维声子晶体带隙计算中的集中质量法

通过引入振动力学中的连续系统离散化的思想，将一维集中质量法延伸至二维，提出一种二维声子晶体带隙特性计算的集中质量法. 进而采用该算法对两种正方晶格的二维声子晶体的带结构进行了计算，计算结果与传统的平面波展开法相符合. 通过对计算结果以及两种算法收敛性的分析，发现集中质量法的收敛性对组成声子晶体的不同材料弹性参数差不敏感，这使得该算法在计算大弹性常数差二维声子晶体的带隙特性时较平面波展开法收敛速度更快. 此外，集中质量法对二维声子晶体单元形状没有特殊要求，这使得它更加适用于声子晶体带隙特性的计算. 关键词： 声子晶体 声子带隙 集中质量法     

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。     

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     

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.     

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.     

一种多频局域共振型声子晶体板的低频带隙与减振特性

设计了一种多频局域共振型声子晶体板结构, 该结构由一薄板上附加周期性排列的多个双悬臂梁式子结构而构成. 由于多个双悬臂梁式子结构的低频振动与薄板振动的相互耦合作用, 这种局域共振型板结构可产生多个低频弯曲波带隙(禁带); 带隙频率范围内的板弯曲波会被禁止传播, 利用带隙可以实现对薄板的多个目标频率处低频减振. 本文针对这种局域共振型板结构进行了简化, 并基于平面波展开法建立了其弯曲波带隙计算理论模型; 基于该模型, 结合具体算例进行了带隙特性理论分析. 设计、制备了一种存在两个低频弯曲波带隙的局域共振型板结构样件, 通过激光扫描测振仪测试证实该结构存在两个低频带隙, 在带隙频率范围的板弯曲振动被显著衰减.     

Band structure characteristics of T-square fractal phononic crystals

The T-square fractal two-dimensional phononic crystal model is presented in this article.A comprehensive study is performed for the Bragg scattering and locally resonant fractal phononic crystal.We find that the band structures of the fractal and non-fractal phononic crystals at the same filling ratio are quite different through using the finite element method.The fractal design has an important impact on the band structures of the two-dimensional phononic crystals.     

The Brillouin zones and band gaps of a two-dimensional phononic crystal with parallelogram lattice structure

We present a detailed theoretical study on the acoustic band structure of two-dimensional(2D)phononic crystal.The 2D phononic crystal with parallelogram lattice structure is considered to be formed by rigid solid rods embedded in air.For the circular rods,some of the extrema of the acoustic bands appear in the usual high-symmetry points and,in contrast,we find that some of them are located in other specific lines.For the case of elliptic rods,our results indicate that it is necessary to study the whole first Brillouin zone to obtain rightly the band structure and corresponding band gaps.Furthermore,we evaluate the first and second band gaps using the plane wave expansion method and find that these gaps can be tuned by adjusting the side lengths ratio R,inclined angleθand filling fraction F of the parallelogram lattice with circular rods.The results show that the largest value of the first band gap appears atθ=90°and F=0.7854.In contrast,the largest value of the second band gap is atθ=60°and F=0.9068.Our results indicate that the improvement of matching degree between scatterers and lattice pattern,rather than the reduction of structural symmetry,is mainly responsible for the enhancement of the band gaps in the 2D phononic crystal.     

一维指数形变截面有限周期声子晶体的研究

本文利用集中质量法对弹性纵波在一维指数形截面有限周期声子晶体中的传播进行了研究, 得到了频率响应函数的表达式. 与一维等截面的声子晶体相比, 指数形变截面声子晶体带隙内的衰减值随着输出端截面积的增大而减小, 同时带隙的起始频率降低而截止频率升高, 也即带隙的宽度会得到拓展. 晶格常数和材料组份比变化时, 变截面声子晶体带隙的起始频率和截止频率的变化趋势与等截面时的声子晶体相同. 希望本文的研究能够推动声子晶体在减振降噪等领域中的应用.     

Comparison of the mechanism of gap formation for tri- and bi-component phononic crystal

Using an exact Mie scattering solution, this paper investigates the mode conversions during the Mie scattering of a single bi- or one-component sphere in unbounded epoxy. Then the formation mechanism of the first complete gap in the corresponding tri- or bi-component phononic crystal is investigated by the multiple-scattering method. It is shown that the heavy density of the scatterer plays an essential role in the Mie resonance and the formation of the gaps for both types of the phononic crystals. For the tri-component phononic crystal, the gap is mainly induced by the Mie resonance of the single scatterer. For the bi-component phononic crystal, the transverse wave （by mode-conversion during the Mie scattering under a longitudinal wave incidence） is modulated by the periodicity and governed by the Bloch theory, which induces the gap cooperatively.