基于Timoshenko梁模型的周期充液管路弯曲振动带隙特性和传输特性

充液管路的固液耦合振动广泛存在于各种工程领域中,对其弯曲振动控制进行研究具有重要意义.将声子晶体的周期性思想引入到管路结构设计中,将管壁设计成沿轴向交替排列的周期性复合结构.基于Timoshenko梁模型,采用传递矩阵法计算了固液耦合条件下周期管路结构的弯曲振动能带结构及其传输特性,同时分析了材料阻尼系数、周期和非周期支撑对带隙特性的影响.充液周期管路结构的弯曲振动带隙特性为管路的振动控制提供了一条新的技术途径. 关键词： 声子晶体 充液管路 振动带隙     

内插扩张室声子晶体管路带隙特性研究

声子晶体管路的带隙特性,可以实现管路系统在特定频率下的噪声控制.利用二维模态匹配法推导出单个内插扩张室元胞的传递矩阵,结合Bloch定理,得到声子晶体管路的能带结构计算方法;验证了二维方法在计算能带结构时的准确性.研究发现,内插扩张室声子晶体管路存在布拉格带隙和局域共振带隙.进一步研究了晶格常数以及内插管长度对能带结构的影响,结果表明,晶格常数主要控制布拉格带隙,而内插管长度对局域共振带隙有较大的影响,并研究了两种参数变化下的带隙耦合.研究结果可以为管路降噪设计提供新的思路.     

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.     

温度对一维异质双周期镜像声子晶体带隙的影响

设计了一种由铝和塑料组成的ABBA结构的一维异质双周期镜像声子晶体.用传递矩阵法研究了温度参量的变化对该声子晶体的声波带隙的影响.当温度发生变化时,声子晶体除了发生线膨胀之外,组成声子晶体材料的铝和塑料的杨氏模量也会发生变化,这就导致了声波在介质内的传播速度发生变化.通过观察分析透射谱线,发现在温度变量的影响下,声波带隙能够可控的出现和消失,随着温度的升高,声波带隙会向频率减小的方向移动.特别是在一定温度条件下出现带隙的反转,由带隙变为通带.结果表明,温度对声子晶体带隙有着明显的影响.这个特性可为新型声学器件的设计提供理论参考.     

LCR分流电路下压电声子晶体智能材料的带隙

将带有LCR分流电路的压电陶瓷片对贴在铝和环氧树脂组成的声子晶体结构中.使智能材料的机械振动与压电陶瓷的压电效应耦合起来,推导出机械振动在压电陶瓷片上的等效附加应力;使LCR分流电路中的电磁振荡效应和声子晶体的能带特性有机结合,计算了在分流电路作用下智能材料扭转和弯曲振动的带隙特性,研究了电阻、电感、电容元件的改变对压电声子晶体智能材料带隙的影响.研究结果表明:在合理尺寸下,随着分流电路中电阻值的增大,带隙的频率范围变宽,但衰减幅值有所降低;电感和电容值的增大都可以使带隙向低频移动,带隙的衰减幅值随着电感值的增大而升高,但随着电容值的增大而降低.从而给压电声子晶体智能材料减震降噪的控制提供了一种新思路.     

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.     

基于声子晶体的传感隔振系统的研究仿真

利用传输矩阵法研究了镜像异质三周期一维声子晶体的振动带隙的特性,通过理论分析得出波矢与频率的色散关系表达式,根据本文设计的隔振器的材料属性与结构特征,Matlab仿真得出声子晶体隔振材料的禁带频率范围为19.8—2355Hz、2979—11775Hz、12525—23550Hz,冲击的频率范围是20Hz—2kHz,在禁带频率范围内.利用ANSYS软件对弹载传感系统进行瞬态冲击分析,验证声子晶体的抗冲击效果,获得系统的最大应力为0.035MPa,最大位移为0.12×10~(-4)mm.仿真结果验证了声子晶体型传感隔振系统在冲击方面的可靠性.     

含内部连接体的二维声子晶体弹性波宽频带隙特性

声子晶体的弹性波带隙特性使得它在开发用于减振降噪的新型功能材料方面具有广阔应用前景。为获得宽频大带隙,改进了一种含连接体的正方晶格声子晶体结构.利用有限元法计算并分析了不同结构配置下其能带特性和振动模态。数值结果表明,单胞中同时引入新的质量块以及连接体将对原连接体的自由振动模态产生抑制作用,可在原分离的两带隙频率范围内获得相对带宽超过100%的单一宽频带隙。此外,通过调整几何尺寸、连接体数目、结构对称性等参数可进一步调控结构带隙特性。      

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     

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。     

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.     

基于声子晶体位错理论的二维超声塑料焊接系统

为了有效改善二维工具头辐射面振幅分布不均匀的问题,对二维超声塑料焊接系统进行了优化设计研究:首先,利用横向位错在大尺寸长条形工具头上构造近周期声子晶体同质位错结,调节带隙的宽度和位置,使得二维超声塑料焊接系统的工作频率位于工具头的横向振动的带隙内,进而有效地控制工具头X方向的横向振动;其次,利用近周期声子晶体斜槽结构进一步优化辐射面的振幅分布均匀度,并分析了斜槽结构参数对超声塑料焊接系统纵向共振频率和振幅分布均匀度的影响规律.模拟仿真结果表明,近周期声子晶体同质位错结和斜槽结构能够实现对二维超声塑料焊接系统的优化,为横向振动抑制理论的进一步研究提供了基础.     

固/固型二维正方晶格声子晶体缺陷态研究*

固/固型声子晶体在抑制噪音和隔离振动等工程领域有着潜在的应用。利用有限元方法对存在缺陷的二维正方晶格金/环氧树脂声子晶体进行了研究,数值计算结果表明弹性波在点缺陷处局域,带隙中出现多条缺陷模,点缺陷数目的增加对声子晶体局域特性产生显著影响;弹性波沿着线缺陷传播形成波导,改变线缺陷结构可以改变弹性波传播方向和实现信号的分离。对声子晶体缺陷特性的研究可为声学滤波器和波导等器件的设计提供参考。     

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     

超材料型周期管路声传播特性及低频宽带控制

船舶管路系统噪声的低频宽带控制是船舶设计和制造中亟待解决的关键问题之一。将超材料理论引入船舶管路系统的结构设计,构造了具有低频声波带隙的一维周期管路结构,并给出了周期管路声波带隙和声波透射系数的计算方法。计算结果表明,该周期管路同时存在声波布拉格带隙和局域共振带隙。在这两种带隙频率范围内,声波在系统中的传播将被衰减抑制。进一步发现,布拉格和局域共振带隙在一定条件会发生耦合,出现带隙耦合展宽现象,且两种带隙存在精确耦合条件。利用带隙耦合的展宽效应和低频设计,可实现声波在低频范围内的传播操控,从而达到船舶管路系统低频噪声宽带控制的目的。      

二维声子晶体带隙计算中的时域有限差分方法

通过将各向同性介质动态弹性方程转化为一阶双曲型波动方程，采用交错网格法改进了O(2,4)的时域有限差分算法. 进而将其应用于二维声子晶体带隙特性计算，理论计算结果和实验结果符合较好，证明该方法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 时域有限差分 交错网格PACC：     

声子晶体结构在功率超声换能器中的应用*

该文提出了一种二维声子晶体结构模型,并将该模型应用于横向尺寸较大的功率超声换能器的前盖板中,避免了形成耦合振动对换能器的影响,从而优化了该类换能器的工作性能。首先设计了一种具有近周期性结构的圆柱形孔的前盖板,然后研究了声子晶体结构前盖板散射体的半径大小和高度对换能器共振频率以及前盖板带隙的影响。结果表明,随着散射体半径和高度的增大,换能器的共振频率会随之发生改变,带隙范围也在发生变化,可以通过调节使换能器的共振频率处于声子晶体的带隙范围内,可以有效抑制换能器的横向振动。     

二维声子晶体带结构的多散射分析及解耦模式

利用多散射方法研究了二维声子晶体中的带结构，通过对柱散射波各阶分波之间的耦合分析，发现在带隙边缘的模式存在与对称性相关的解耦现象. 由此在低阶带隙边缘出现独立的自洽的零阶多散射模式. 通过引入周期结构因子和Mie散射因子，得到表征低阶带隙起始频率的解析公式. 利用该公式，采用图解法，定量地说明了带隙起始频率随周期性和单散射体Mie散射特性变化的规律. 关键词： 声子晶体 多散射     

二维空心散射体声子晶体板的低频带隙特性及其形成机理

利用有限元方法,对设计的涂有硅橡胶包裹层的空心铅柱体嵌入到4个环氧树脂短连接板中构成的声子晶体板的低频带隙特性进行了研究,分析了其能带结构、传输损失及位移场。与正方连接板粘连结构、嵌入结构和细连接短板粘连结构这3种传统声子晶体板的带隙特性作对比,说明具有包裹层、短连接板结构的声子晶体板更容易产生低频宽带;观察位移矢量场的振动模态,并结合弹簧质量模型,解释了带隙形成的机理;通过讨论连接板的宽度、散射体的内外半径及高度对第一完全带隙的影响,说明连接板宽度越窄,厚度越小,散射体内半径越小,外半径越大,高度越高,越有利于带隙的扩展。      

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.