多振子梁弯曲振动中的局域共振带隙

从梁的弯曲振动方程出发,利用传递矩阵法,给出了无限周期结构的一维多振子声子晶体梁的弯曲振动能带结构,并利用有限元方法计算了有限周期结构梁的弯曲振动频率响应.建立了多振子声子晶体梁的简化模型,推导出带隙起始截止频率公式.结果表明:一维多振子声子晶体梁具有比单振子声子晶体梁更宽更丰富的振动带隙,可应用于呈倍频关系的减振降噪中;振动在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减;所建立的简化模型与理论模型结果符合较好.研究工作为梁类结构的减振提供一种新的思路.     

局域共振声子晶体复合结构的隔声特性

提出一种四振子对称局域共振声子晶体单元结构,通过改变振子的材料组份,使其在不同频率范围内存在完全带隙以及隔声峰;为拓宽结构隔声的频率范围,通过将不同结构复合的方式,使各结构在不同频率段发挥较好的隔声效果,从而实现隔声范围拓宽;采用有限元法研究了影响复合结构隔声效果的关键因素.结果表明,采用不同结构复合的方法能够有效地拓宽结构的隔声范围.该研究为声子晶体的宽频隔声提供了理论参考.     

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。     

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     

嵌入压电基底蜂窝状声子晶体声表面波带隙特性

提出了将部分镍圆柱体镶入128°YX-LiNb03基底的二维蜂窝状压电型声子晶体.用有限元法结合低反射边界条件计算并分析了该结构的能带结构与传输损失.结果显示:与倒圆锥体结构相比,镶入型结构具有更低的声表面波(SAW)带隙,原因是将部分柱体嵌入到基底中增加了共振体的质量.通过分析带隙边缘处振动本征模态结合传输损失发现,...     

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     

二维复式格子声子晶体带隙结构特性

借助于平面波展开法分析了二维复式格子声子晶体能带结构，计算了铝合金柱体按周期性结构排列在空气中形成的二维固/气复合体系的声子晶体，给出了复式蜂窝格子和复式Kagome格子的能带结构，进而对比分析了复式格子和简单格子的能带结构特性.结果表明，与简单格子相比，复式格子的带隙出现在频率相对较低的位置；在f=0.091—0.6046范围内，将声子晶体排列为复式格子要优于简单格子，可以得到更宽带隙.此外，引入了带隙分布图，讨论了填充系数f对带隙数目、带隙宽度以及带隙上下边界频率的影响. 关键词： 声子晶体 复式格子 带隙 平面波算法     

球形复合柱表面波声子晶体的带隙特性仿真

设计了一种由镍球与环氧树脂垫层组成的复合柱沉积在铌酸锂基体上构成的表面波声子晶体结构,采用有限元法计算了其能带结构和位移矢量场.结果表明:与具有相同晶格常数的倒圆锥形表面波声子晶体结构相比,研究结构可以在更低的频率范围打开更宽的声表面波完全带隙,且随着复合柱半径增大,镍球体与压电基体的硬边界之间形成限制腔模,相邻高阶带隙间存在能量的耦合以及振动模式的继承;此外,温度场的引入可以实现带隙的主动调控,带隙频率范围随着温度升高向低频移动;通过增加复合柱体的层数,多振子结构与行波发生多极共振耦合,可在高阶能带间打开完全带隙.本文的研究结果为微米级表面波声子晶体结构在100 MHz以下频率范围的带隙特性优化提供了理论支持.     

二维8重固-流型准周期声子晶体带隙特性研究

针对二维8重固-流型(钢-水)准周期声子晶体,通过实验方法测试得到了不同大小准周期系统的透射谱,并利用有限元方法计算了准周期体系的频散曲线和透射谱.结果显示,实验与有限元方法所得透射谱结果基本符合,但有限元方法得到的透射谱显示的带隙特性更为明显;二维固-流型8重准周期声子晶体选用包含其中心拼图在内的最小超元胞可以近似计算整个准周期结构的频带结构.     

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.     

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.     

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.     

含磁电弹夹层的压电/压磁声子晶体带隙特性研究

将具有力电磁耦合性能的夹层引入到压电/压磁声子晶体中,在保持单胞长度为固定值的情况下,分别改变磁电弹夹层的厚度、磁电弹夹层中压电材料的体积分数和磁电弹夹层中压电材料的种类;并利用传递矩阵法和Bloch定理,得到波数k与频率ω的色散关系;通过色散关系图分析不同的磁电弹夹层对压电/压磁声子晶体带隙特性的影响.研究发现:当磁电弹夹层厚度增加时,带隙的中心频率上升,带隙宽度变宽;当磁电弹夹层中压电材料体积分数增加时,带隙中心频率下降,第一带隙宽度变窄,第二带隙宽度增加,第三带隙宽度保持不变;当磁电弹夹层中的压电材料种类不同时,带隙的中心频率和带隙宽度有明显的改变;磁电弹夹层对压电/压磁声子晶体带隙中心频率的影响在高频区比低频区更显著.     

声波在二维固/流声子晶体中的禁带特性研究

采用时域有限差分法(FDTD),分析了声波在二维四方点阵铝/空气组合声子晶体中的禁带特性,并利用实验测试验证了理论分析的正确性.在此基础上研究了两种不同声阻抗率比固(实心圆柱和空心圆管)/流系统声子晶体的禁带特性.对于实心圆柱体,分析了有限尺寸结构声子晶体在传播方向上的层数对声波传播特性的影响,得到了这两种系统在不同填充率下取得最大声波禁带宽度所需的最少层数.同时指出,在低声阻抗率比条件下,对于空心圆管填充物,通过选取适当的半径比,可以获得比实心柱体更宽的方向带隙.     

Wavelet-based method for computing elastic band gaps of one-dimensional phononic crystals

A wavelet-based method was developed to compute elastic band gaps of one-dimensional phononic crystals. The wave field was expanded in the wavelet basis and an equivalent eigenvalue problem was derived in a matrix form involving the adaptive computation of integrals of the wavelets. The method was then applied to a binary system. For comparison, the elastic band gaps of the same one-dimensional phononic crystals computed with the wavelet method and the well-known plane wave expansion (PWE) method are both presented in this paper. The numerical results of the two methods are in good agreement while the computation costs of the wavelet method are much lower than that of PWE method. In addition, the adaptability of wavelets makes the method possible for efficient band gap computation of more complex phononic structures. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10632020)     

超元胞方法研究平移群对称性对声子带隙的影响

采用基于超元胞的平面波展开法，计算了由水银(水)正四棱柱体按正方格子排列于水(水银)基体中所组成的两种声子晶体的能带结构.通过改变两相邻的柱体底面边长之比来改变声子晶体的平移群对称性.结果发现，改变相邻柱体的底面边长之比，具有很好的调节声学带隙的作用.研究表明，声子晶体的平移群对称性对于其带隙的形成具有重要影响,同时还表明,超元胞方法也是研究声子晶体平移群对称性影响声子带隙形成的一种有效方法. 关键词： 声子晶体 带隙 对称性     

Complete band gaps of phononic crystal plates with square rods

Much of previous work has been devoted in studying complete band gaps for bulk phononic crystal (PC). In this paper, we theoretically investigate the existence and widths of these gaps for PC plates. We focus our attention on steel rods of square cross sectional area embedded in epoxy matrix. The equations for calculating the dispersion relation for square rods in a square or a triangular lattice have been derived. Our analysis is based on super cell plane wave expansion (SC-PWE) method. The influence of inclusions filling factor and plate thickness on the existence and width of the phononic band gaps has been discussed. Our calculations show that there is a certain filling factor (f = 0.55) below which arrangement of square rods in a triangular lattice is superior to the arrangement in a square lattice. A comparison between square and circular cross sectional rods reveals that the former has superior normalized gap width than the latter in case of a square lattice. This situation is switched in case of a triangular lattice. Moreover, a maximum normalized gap width of 0.7 can be achieved for PC plate of square rods embedded in a square lattice and having height 90% of the lattice constant.