声子晶体禁带特性及局域共振现象的试验研究

以弹性(亚克力柱/空气型)及粘弹性(硅橡胶/空气型)声子晶体为研究对象,研究了散射体填充率、形状、排列方式、材料性质、缺陷形式等对声子晶体禁带特性及局域共振现象的影响.结果表明:随着层数的增加,带隙频率逐渐靠近理论值,但达到一定层数后,其影响会减弱;与正方柱形比较,圆柱形声子晶体得到的带隙更宽,而与弹性声子晶体相比,粘弹性声子晶体更易得到低频宽带隙的效果;声子晶体晶体阵列个数对共振频率的影响并不大,而散射体形状、填充率、及材料性质对共振频率有一定影响,尤其是粘弹性材料对提高局域共振的品质因子有非常大的作用;多点缺陷的引入对缺陷局域模态的分离有一定贡献,但多点缺陷间隔较近时会降低局域模态的分离效果.     

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.     

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.     

局域共振二维声子晶体的低频带隙特性研究

针对低频带隙难以打开的问题,本文提出一种局域共振二维声子晶体结构,采用有限元法计算其能带结构,分析其带隙的形成机理和影响因素,并在此基础上对结构进行优化设计.结果表明:该结构可在200 Hz以下的频率范围内打开宽度70.56 Hz的完全带隙,起始频率低至39.77 Hz.等效刚度k一定的情况下,带隙起始频率由芯体的密度决定,而截止频率主要由基体边框密度决定.优化后的结构能够打开更低更宽的带隙,且对振动波的衰减性能提升.该结构具有优越的低频带隙特性,在地铁减振隔振领域中具有潜在的应用前景.     

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.     

基于二维声子晶体多通道线缺陷结构的定向声激发

提出一种基于声子晶体线缺陷波导的多通道结构来实现声波定向激发.一束入射声波在该结构中传播时被分割成多束分支,这些分支声束到达输出端时具有相等的相位,进而在输出端产生具有高度准直形态的辐射场分布.该辐射场分布的半高宽具有反比于结构中通道数的特点.数值模拟结果与实验结果同时验证了这种结构的声定向效应.相对于大多数已有的声波定向方案,这种结构具有简单从而易于制备的优点.     

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.     

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.     

双局域共振Helmholtz声子晶体带隙研究

设计了一种双局域共振原理的Helmholtz型声子晶体结构,该结构采用U字型嵌套设计,分为内外两个腔,摆脱了内腔空气对带隙上限的影响,使得低频带隙上限得以大大提高.在分析低频带隙形成机理和影响因素时,将弹性杆-弹簧模型引入理论计算,使得简化模型计算精度得以提高.研究表明:该结构具有良好的低频带隙特性,其最低带隙范围为86.9～445.9 Hz.结构低频带隙主要受晶格常数、壁厚、细管宽度和长度的影响.在保持其它参数不变的情况下,带隙上限随晶格常数、壁厚和细管长度的增加而降低,随细管宽度的增加而增加;带隙下限随晶格常数、细管长度的增加而降低,随细管宽度、壁厚的增大而增大.该研究为低频噪声控制提供了一定的理论支持,拓宽了声子晶体的设计思路.     

二维声子晶体多点缺陷局域模的分离特性

以二维铝圆柱/空气正方格子声子晶体为研究对象,利用平面波展开法结合超原胞的方法研究了点缺陷局域模的分离特性及模场分布特性.结果表明,多点缺陷引入将使局域声子因散射波之间的干涉而产生局域模的分离,且分离程度与多点缺陷所形成腔的几何形状、封闭程度以及边缘的构造有关;带隙中局域模的模场分布与它在带隙中的位置有关.点缺陷局域模的分离特性在声方向滤波器、窄带声波导方面将有很大的应用价值.     

一维声子晶体缺陷态的研究

用特征矩阵法计算了声波在包含缺陷的一维声子晶体中的传播规律.其带隙结构与不包含缺陷结构的带隙结构相比有明显的不同,系统的透射率不仅与掺杂或替换的介质种类和层数有关,而且与介质的厚度有关.对于通带中的固定频率,透射率随介质厚度的增加呈周期性变化.     

二维声子晶体异质线缺陷的声波导特性

以二维铝圆柱/空气体系声子晶体引入正方柱线缺陷为研究对象,采用平面波法结合超元胞的方法研究了该异质线缺陷的填充系数、旋转等因素对声波导的影响,讨论了异质线缺陷模场分布.结果表明,当f＝0.7、fd＝0.5旋转散射柱时,缺陷带只出现在-45°＜θ＜45°范围内,且位置随旋转角变化;带隙中缺陷带的数量随fd的增加而减少,当fd很小时,异质线缺陷的旋转对声波导没有影响;缺陷态的模场分布取决于它在带隙中的位置和距带隙上下边带间的距离.     

各向异性声子晶体能带结构的计算

边界元法被用于计算各向异性二维声子晶体的能带结构,该体系由各向异性或各向同性夹杂嵌入各向同性或各向异性基体中而形成.在一个单胞内分别对基体和散射体建立边界积分方程,在基体边界上施加Bloch条件,然后代入界面条件得到一个线性的特征值方程.通过对不同体系声子晶体能带结构的计算,并和其它方法的计算结果进行比较,说明边界元法可以有效准确地计算各向异性声子晶体的能带结构;而且,与各向同性体系相比,正交材料旋转角的变化对面外模态的能带结构有一定影响.     

基于二维声子晶体的选频选向加权声波导

本文提出一种基于二维压电声子晶体的声表面波选频选向加权声波导,即在垂直的两个方向上具有不同的晶格常数.为分析其特性,以空气孔/128.YX铌酸锂声子晶体为例,采用有限元方法并结合纵向深度上位移场的分布特点提取出表面波模态,同时采用P矩阵模型和三维有限元方法分析了ΓX和ΓY方向上的传输系数,进一步提取出位移场的传播分布.结果具有很好一致性,同时显示不同晶格加权结构,在特定频段上实现一个方向带通而另一个方向带阻,即具有选频选向的声波导特性,证实了提出的选频选向加权声波导的可行性.     

基于声子晶体环形腔的可调声波分插滤波器

设计了两个声子晶体线缺陷波导,通过环形谐振腔耦合,构造出声波分插滤波器,可以上传、下载高品质的声波导模.文中采用有限元方法分析声波在平台中的传播,结果表明,采用方柱体为散射体,谐振腔内腔平滑,可以增强谐振腔局域性;适当旋转耦合方柱体,可以增大透射率,当转角30°时透射率最大;利用环形腔体的旋转可以实现对谐振频率的精细调节.这些研究对声波器件的集成设计具有潜在应用.     

确定一维声子晶体缺陷模的解析方法

为了确定一维声子晶体缺陷模位置,本文从周期结构的布洛赫原理出发,通过解析方法推导出一维声子晶体缺陷模式所满足的条件及确定的方法.所得结果与其它数值方法进行比较,两者完全吻合.     

声子晶体中波传播的自准直效应

本文针对不同介质形成的周期性阵列结构进行了不同频率的波传输计算,发现波在阵列声子晶体结构中的传输特性与光在光子晶体中的自准直类似,具有波传播的自准直效应.进一步计算发现,波在声子晶体中传输的自准直特性与外部介质和阵列结构的材料属性密切相关,也与阵列结构单胞中金属柱的截面几何特性相关.波传播的自准直效应产生的频率范围随模...     

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。