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...     

新型多重谐振结构声子晶体带隙特性研究

本文设计了一种新型的多重谐振声子晶体结构,建立了带隙上下界频率振动模态的等效模型,通过有限元方法分析了该结构的带隙产生机理以及影响带隙宽度的因素,并对模型的合理有效性进行了验证.结果表明:该结构属于局域共振型声子晶体,能够在中低频段内获得两个带隙,并且内层散射体质量决定第一带隙起始频率,外层散射体质量决定第二带隙的截止频率.通过对散射体质量,填充率,包覆层弹性模量的优化,可以对其带隙上下界频率进行调控.研究结果为声子晶体的结构设计提供了参考.     

新型局域共振声子晶体结构的低频带隙特性研究

本文提出了一种新型四角连接局域共振声子晶体结构,并结合有限元方法对该结构的能带及其产生机理进行了分析.与全连接结构相比,该结构在200 Hz以下的低频范围内打开了超过41.7;的带隙,而且降低了结构质量.将该结构等效为“弹簧+质量块”模型,并推导出带隙估算公式.结果表明,采用comsol计算得到的带隙与估算得到的带隙具有较好的一致性.同时研究了结构参数对带隙的影响,通过选择适当的结构参数,可以实现对带隙频率的调控.研究结果为声子晶体结构的工程实际应用提供了有益的支撑.     

一种弯曲主导型热膨胀点阵超材料的带隙特性研究

当前科技的发展对材料的多功能性提出了更高的要求。本文利用有限元法针对一种具有三角晶格的弯曲主导型热膨胀点阵超材料(JTCLM)进行了带隙研究,并讨论了几何参数对JTCLM单胞带隙的影响。结果表明,当JTCLM单胞存在弯曲曲率时将会产生带隙,且材料的几何参数对JTCLM点阵复合材料的带隙具有显著的影响。结果为实现热膨胀/带隙双目标的超材料设计提供了理论基础。通过合理的选材和形状设计,有望实现特定膨胀性质和带隙设计的双目标共赢,使材料具有更好的可调谐性和多功能性。     

双包覆层局域共振型声子晶体带隙特性研究

低频噪声由于其频率较低,波长较长而难以抑制,因此增大声子晶体低频带隙宽度尤为重要.与Bragg型声子晶体相比,局域共振型声子晶体可以用较小的尺寸获得低频带隙,即用小尺寸来控制大波长,这一特点为声子晶体在低频减振和降噪方面的应用提供了新的方法和思路,具有重要的应用价值.笔者设计了二维组合式包覆层局域共振型声子晶体,研究了不同材料的组合包覆层对带隙的影响,得出组合式包覆层声子晶体比单包覆层声子晶体具有更宽带隙,不同包覆层组合形式对带隙有较大影响等结论,为声子晶体的研究做出了参考.     

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.     

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.     

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.     

薄板型声子晶体材料参数对弯曲振动带隙的影响

借助改进的平面波展开法,从薄板弯曲波的波动方程出发,分析了材料参数对正方晶格/正方散射体的薄板型声子晶体的第一个完全带隙和第一个Γ-X方向带隙的影响.结果表明,散射体和基体材料的杨氏模量比和质量密度比是影响薄板弯曲振动带隙的关键材料参数;弯曲振动的第一完全带隙和第一Γ-X方向带隙都在由杨氏模量比和质量密度比组成的空间内被分为两个区域,能带结构分别具有Bragg散射特征和局域共振特征.     

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。     

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。     

基于带隙特性含周期孔的声子晶体板设计

提出一种含有周期孔和周期柱的声子晶体结构,通过与原始的板柱型声子晶体结构比较,周期孔的引入在增加带隙宽度的同时也增强了其减振特性.可根据结构应变能以及提出的有效质量分析其带隙机理.同时,研究了孔半径、柱半径以及柱高度对声子晶体板带隙特性的影响.研究表明柱半径、孔半径以及柱高度的增加都会使得带隙宽度增加,对应减振特性越好.     

多振子声子晶体的低频特性研究

本文设计了一种由硅橡胶包覆层包裹4个钨振子的新型声子晶体结构,通过有限元法计算该结构的色散曲线、振动模态和传输损失谱。结果表明,该结构的带隙范围为18.85~225.28 Hz,与传输损失谱频率衰减范围相吻合,能够有效抑制20~200 Hz的弹性波在声子晶体中传播。通过分析色散曲线上点的振动模态,说明带隙产生的原因。本文讨论了声子晶体板的缺口角度和振子之间的纵向和横向间距对带隙的影响,结果表明:当缺口角度减小时,带隙下边界几乎保持不变,带隙上边界升高从而增加了带隙的宽度;振子之间横向或纵向间距增大时,带隙下边界和上边界均上升,带隙变宽,进而优化了声子晶体模型的带隙。同时声子晶体板的缺口设计能够节省材料,从而减轻结构的质量。     

基于声子晶体带隙特性的薄板减振设计

基于平面波展开法和薄板振动方程,计算了薄板型声子晶体的带隙和减振特性,通过与有限元软件的计算结果验证带隙计算的正确性,并进一步讨论了散射体几何形状及填充率、弹性模量比、密度比等对薄板型声子晶体带隙特性和减振的影响.结果表明正多边形散射体随边数的减小,第一带隙宽度逐渐增加,正方形散射体薄板减振效果明显.填充率对声子晶体带隙特性的影响不是线性的.随散射体基体弹性模量比数量级增大,第一带隙趋于低频,宽度降低.散射体基体弹性模量比较大时,密度比越大,第一带隙宽度越大,对应的薄板结构减振特性越好.     

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...     

不同形状散射体的二维固/气声子晶体带隙结构

用平面波法计算了截面形状分别为圆、椭圆和正四棱形的铝合金柱体在空气中按正方格子排列形成二维声子晶体的带隙结构.结果表明:截面形状不同的散射体会产生不同的带隙结构;三种体系的声子晶体都只有在填充率F大于一定数值时才会出现完全带隙,并且第一完全带隙宽度都随着F的增大而单调增加,当F达到最大时,增加到极值;在F《0.5时,正四棱柱/空气体系声子晶体最有利于产生宽带隙,而当F》0.5时,圆柱体/空气体系声子晶体带隙最宽.     

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...     

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。