SH波在局部非均匀声子晶体中的传播

使用传输矩阵法,研究了水平剪切波(SH波)在一维局部材料非均匀声子晶体中的传播。首先使用皮亚诺方程给出了SH波在特定非均匀梯度介质声场的传输矩阵。然后使用传输矩阵和布洛赫定律给出了该声子晶体的禁带结构和传输系数。通过具体计算,发现这种非均匀性能明显影响声子晶体的频散曲线和禁带结构。然后比较了幂指数取不同值时,禁带结构与归一化频率和填充比的关系。发现幂指数不同,声子晶体的禁带不同。     

镜像对称准周期固/液声子晶体的传输特性

以准周期Fibonacci序列为基础,构建了准周期镜像对称结构的一维固液介质声子晶体。利用转移矩阵法,研究了弹性波在所构建的声子晶体中的透射特性。结果表明:弹性波正入射时,转移矩阵与变介质的特性阻抗有关,由于声子晶体结构的局域失谐,在透射谱的中心频率附近对称出现谐振模;对于Q7序列的声子晶体,带隙内谐振模带宽小于10Hz,能实现超窄带声滤波;弹性波斜入射时,带隙向高频区移动;入射角为5°时,谐振模也向高频移动;入射角为10°时,由于谐振的增强,声子晶体结构对频率的选择性提高,使带隙内的谐振模消失。     

飞秒激光辐照硅薄膜的非平衡声子能量输运

针对飞秒激光辐照硅薄膜的非平衡声子能量输运建立了声子辐射输运模型,并采用改进的特征线法进行了数值模拟。在同时满足时间和空间微尺度的条件下,声子在远小于平均自由程的区域内获得能量,主导能量输运的方式是弹道式而不是扩散式。热波速度与薄膜中的声子声速相近,热传播方向上的声子能量输运主导了其它方向,因而弹道极限下的热波传播速度等于声子声速。     

新型声子晶体全反射贯穿效应的滤波特性

利用转移矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维声子晶体的透射率,结果发现：在入射角岛为0．33rad、0．4rad、0．9rad、1．3rad附近都出现了明显的透射峰带,即在透射波中出现了全反射贯穿效应;其中在0．4rad附近的这个透射峰带的频率范围小、峰值细密,可以利用它来实现多通道滤波。同时研究了贯穿效应随介质厚度和周期数的变化特征,发现贯穿效应具有优良的滤波特性。利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的新型一维声子晶体的滤波器。     

一维声子晶体带隙的非局部辛分析

周期性弹性复合结构(声子晶体)中传播的弹性波存在特殊的色散关系:弹性波只能在某段频率范围内无损耗的传播,该频率范围称为通带.一维声子晶体的色散问题可以看作分层介质中弹性波的传播问题,利用二维弹性理论予以分析.为了研究非局部效应对声子晶体带隙特性的影响,将Eringen的二维非局部弹性理论引入到Hamilton体系下,利用精细积分与扩展的Wittrick Williams算法可获取任意频率范围内的本征解.通过对不同算例的数值计算,分析和对比了非局部理论方法与传统局部理论方法的差别.并进一步指出了该套算法的适用性和优势所在.     

声子晶体结构在汽车制动降噪中的理论研究及应用

基于弹性波在声子晶体结构中传播时会产生弹性波带隙,即特定频率范围的弹性波被禁止传播这一特性,为降低高频的制动噪音,将声子晶体这一新结构引入到汽车盘式制动装置中。通过对汽车制动噪音频谱的分析,得到高频噪音比较集中的频段。通过设计专用的二维空气柱/钢体系正方格子声子晶体结构(体积占有率为40%),使高频噪声集中频段(2000~2500Hz)落于声子禁带中,以达到降噪的目的。与传统的制动降噪技术相比,利用声子晶体结构的降噪装置具有频带宽和降噪量大的优越性。通过实验装置验证了声子晶体降噪结构的可行性,在2000~2500Hz范围内,声压的降低幅值最大可达25dB,平均降噪量可达13dB以上,即对汽车刹车减噪起到了明显的效果。     

声光子晶体带隙特性与声光耦合作用研究综述

声光子晶体是一种同时具有光子和声子带隙的周期性结构.声光子晶体为同时控制电磁波和弹性波的传播提供了一个系统的平台,并在光学、声学及声光多功能器件、腔光力学等领域展现了十分广阔的应用前景.论文首先介绍了声光子晶体的基本概念,包括声光子晶体的材料、空间周期分类、能带结构的计算方法等;阐述了不同体系下声光子晶体双重带隙的特性,以及拓扑优化方法在声光子晶体带隙优化方面的应用;然后简要介绍了腔光力学,以及计算声光耦合作用的准静态方法和光力耦合系数方法,并针对当前各种声光子晶体结构中声光耦合作用的研究进行了阐述;还进一步介绍了声光子晶体波导和传感器的相关研究;最后,基于当前声光子晶体的研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及到增强声光子晶体谐振腔的声光相互作用、三维声光子晶体的研究、声光超构材料的设计、声光子晶体器件设计与应用等.     

三相声子晶体能带结构计算的位移-面力映射方法

发展了基于位移-面力映射的方法计算三相声子晶体的能带结构,分析了弹性波在其中传播的特性.由弹性动力学方程出发,利用位移.面力映射,导出波动模态的特征值方程,得到三相局域共振声子晶体反平面剪切波的频散关系(即能带结构).以金-橡胶-环氧树脂体系为例,计算并分析了材料组配、几何尺寸等对频散关系造成的影响.研究结果显示:位移...     

基于Lamb波频散特性的薄板声发射源定位方法研究

声发射源时差定位方法中波速的确定是定位准确的关键问题,根据模态声发射理论,声发射信号在薄板内的传播过程中具有频散现象和多模态特性.不同频率不同模态的声波其传播速度不同.基于Lamb波频散特性和声发射检测技术,采取时频联合分析方法对铝薄板中声波模式进行识别;利用低频段频散不明显的扩展波的波速和同一频率同一模态波到达两传感器的时间差来实现声发射源的准确定位;通过铝薄板中AE源定位实验表明,采用S0模式,即扩展波的波速进行定位计算,可以比较准确地确定声发射源的位置,而且理论值与实际值相差很小.     

基于多重多级子结构声子能带与传输特性分析

基于多重多级子结构方法提出一种快速的声子晶体能带与传输特性的计算策略. 主要思想是将声子晶体划分成多层级子结构有限元模型,在能带计算中采用静凝聚和子结构周游树技术将子结构的内部刚度阵凝聚到Bloch 边界上. 由于内部刚度阵并不随着简约波矢变化,所以这种计算策略可以大大降低求解规模并提高计算效率,并不对整体有限元模型引入近似. 在传输特性计算中同样采用该策略,由于声子晶体单胞具有周期性,所以各个单胞的系数矩阵是相同的,从而减少计算量,并且可以灵活地选择是否回代求解单胞内部自由度. 数值算例以三维局域共振型声子晶体和二维Bragg 散射型声子晶体为例,计算结果验证了这种求解策略的正确性和高效性,并适用于复杂声子晶体分析.      

基于人工神经网络的声子晶体逆向设计

声子晶体是一种人工周期性复合材料, 其带隙特性使其在减振、隔声、滤波和声学功能器件等领域具有潜在的应用价值. 如何准确操纵声波和机械波是声子晶体设计的主要挑战. 现有设计方法是基于对结构几何参数与材料参数的分析调整使其匹配特定的应用特性, 设计效率不高且无法达到最佳性能. 为此, 本文以一维层状声子晶体为例, 提出了一种基于Softmax逻辑回归和多任务学习的人工神经网络声子晶体逆向设计方法, 其中, Softmax逻辑回归实现分层结构各区域材料种类的选择, 通过多任务学习确定各区域材料的分布, 从而, 将声子晶体逆向设计问题转化为对单位胞元拓扑结构多组分材料的分类问题. 首先, 随机生成大量声子晶体拓扑结构样本; 然后, 采用有限元法进行并行计算得到所有样本的带隙分布; 接着, 通过神经网络建立带隙分布和拓扑结构之间的映射关系; 最后, 利用训练好的神经网络设计具有目标带隙特性的声子晶体, 即以目标带隙作为神经网络的输入, 网络将直接输出对应的声子晶体单元胞元拓扑结构. 算例表明本方法可根据应用需求快速高效地得到具有目标带隙的一维声子晶体. 该方法为声子晶体的逆向设计提供了一种新颖思路.      

Shock wave incidence on a V-shaped cavity

We study theoretically and experimentally the motion of metal arising from a plane shock wave striking a V-shaped cavity. Using the functionally invariant solutions of Sobolev, we write out the acoustic approximation for this problem and determine the region of its applicability. It is shown that in the region in which the acoustic approximation is not applicable, the flow in the principal term is described by the incompressible fluid equations for which the boundary conditions are defined by the acoustic region. The experimental technique is described and a comparison of the theoretical and experimental data is made.Translated from Zhurnal PrikladnoiMekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, Vol. 10, No. 6, pp. 57–61, November–December, 1969.The authors wish to thank A. A. Deribas for discussion on the problem formulation and experimental technique, and N. S. Kozin for carrying out the numerical calculations.     

Genetic algorithm optimization of phononic bandgap structures

This paper describes the use of genetic algorithms (GAs) for the optimal design of phononic bandgaps in periodic elastic two-phase media. In particular, we link a GA with a computational finite element method for solving the acoustic wave equation, and find optimal designs for both metal–matrix composite systems consisting of Ti/SiC, and H₂O-filled porous ceramic media, by maximizing the relative acoustic bandgap for these media. The term acoustic here implies that, for simplicity, only dilatational wave propagation is considered, although this is not an essential limitation of the method. The inclusion material is found to have a lower longitudinal modulus (and lower wave speed) than the surrounding matrix material, a result consistent with observations that stronger scattering is observed if the inclusion material has a lower wave velocity than the matrix material.     

一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.      

WAVELET METHOD FOR CALCULATING THE DEFECT STATES OF TWO-DIMENSIONAL PHONONIC CRYSTALS

Based on the variational theory, a wavelet-based numerical method is developed to calculate the defect states of acoustic waves in two-dimensional phononic crystals with point and line defects. The supercell technique is applied. By expanding the displacement field and the material constants （mass density and elastic stiffness） in periodic wavelets, the explicit formulations of an eigenvalue problem for the plane harmonic bulk waves in such a phononic structure are derived. The point and line defect states in solid-liquid and solid-solid systems are calculated. Comparisons of the present results with those measured experimentally or those from the plane wave expansion method show that the present method can yield accurate results with faster convergence and less computing time.     

THEORETICAL NONLINEAR ANALYSIS OF A BIOMIMETIC TUNABLE LENS DRIVEN BY DIELECTRIC ELASTOMER 1)

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.     

方形固-液声子晶体的全反射隧穿及其多通道滤波

为了研究一维固-液结构方形声子晶体中弹性波的全反射隧穿效应,利用传输矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维固-液结构方形声子晶体的透射率。在透射波中发现了全反射隧穿效应,并且全反射隧穿峰具有优良的多通道滤波特性。得出了一维固-液结构声子晶体的全反射隧穿的滤波特性随周期数、模式量子数、边长的变化规律。为设计性能优良的多通道声子晶体滤波器提供了理论依据。     

Wave dispersion and dissipation performance of locally resonant acoustic metamaterials using an internal variable model

Engineering structures for different dispersion and dissipation levels of wave propagation use internal variable models, which may enhance the performance of acoustic metamaterials (AMMs). In this study, the wave dispersion and dissipation performance of AMMs is studied using an anelastic displacement fields (ADF) model. A symmetric state-space method based on Floquet-Bloch’s theorem for a nonviscously damped unit cell is developed. The study also constructs Bloch’s eigenvalue problems built from the symmetric state-space formulation to obtain the wavevector-dependent damped frequency and damping ratio for wave propagation analysis of periodic structures. The effects of wave dispersion and dissipation on the performance of AMMs are studied by using two numerical examples of mass-in-mass lattice systems containing multiple resonators. It is shown that nonviscous damping increases the wave dispersion performance of AMM. It is also shown that the metadamping phenomenon enhances the wave dissipation performance of AMM. It is demonstrated that the new method in symmetric form is applicable for performance analysis of periodic phononic crystal.     

WAVE PROPAGATION IN TWO-DIMENSIONAL DISORDERED PIEZOELECTRIC PHONONIC CRYSTALS

The wave propagation is studied in two-dimensional disordered piezoelectric phononic crystals using the finite-difference time-domain （FDTD） method. For different cases of disorder, the transmission coefficients are calculated. The influences of disorders on band gaps are investigated. The results show that the disorder in the piezoelectric phononic crystals has more significant influences on the band gap in the low frequency regions than in the high frequency ones. The relation between the width of band gap and the direction of position disorder is also discussed. When the position disorder is along the direction perpendicular to the wave transmission, the piezoelectric phononic crystals have wider band gaps at low frequency regions than the case of position disorder being along the wave transmission direction. It can also be found that the effect of. size disorder on band gaps is analogous to that of location disorder. When the perturbation coefficient is big, it has more pronounced effects on the pass bands in the piezoelectric phononic crystals with both size and location disorders than in the piezoelectric phononic crystals with single disorder. In higher frequency regions the piezoelectric effect reduces the transmission coefficients. But for larger disorder degree, the effects of the piezoelectricity will be reduced.