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.     

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。     

二维声子晶体理论在磁流变隔振支座中的应用

基于二维声子晶体模型,设计了周期排列的磁流变隔振支座,采用有限元方法研究其弹性波传输特性和振动能量分布.研究结果表明:隔振支座存在弹性波带隙,通过外加磁场可以调控带隙的带宽和频率位置;缺陷态结构对传输能量有局域作用.     

二维局域共振周期格栅结构的低频振动带隙特性研究

为了解决周期格栅结构在低频领域的振动问题,基于局域共振机理,本文设计了一种新型复合二维周期格栅结构,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,并在此基础上对结构进行优化设计。分析发现,仅对包覆层结构进行优化,便可大幅降低带隙的起始频率。带隙的位置由对应局域共振模态的固有频率决定,通过改变结构的材料和尺寸参数可以将带隙调节到满足实际工程应用的范围。数值仿真结果与试验测试结果一致,该结构可在40～90 Hz的低频范围打开宽度50 Hz的完全带隙,最大振动衰减达到36 dB。这种结构设计为周期格栅结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法,具有潜在的应用前景。     

固-流结构声子晶体中弹性波能带的色散研究

推导出弹性波斜入射固-流结构声子晶体的转移矩阵和色散公式.利用色散公式研究了弹性波在固-流结构声子晶体中的能带特性.结果表明,介质厚度固定时,弹性波中会出现多级禁带,禁带的频率中心随入射角的增加而向高频方向移动,入射角增加到一定值后会分裂出新的禁带,分裂出的禁带频率宽度随级数的增加而增大.入射角固定时,禁带的频率宽度随介质厚度近似成反比变化,分裂出的禁带频率宽度随介质厚度的增加而减小.     

各向异性圆柱光子晶体中光波的量子效应和带隙

利用光波在一维各向异性圆柱光子晶体中径向受限的条件,研究了光波在其中出现的模式量子效应,并利用特征矩阵法计算了TE波和TM波各模式的禁带随模式量子数、传播方向以及圆柱半径的变化规律.得出了一些一维各向异性圆柱光子晶体带隙的新结构.研究表明:此结构禁带的频率中心和透射角都随模式量子数的增加而增大.同一模式禁带的频率中心随圆柱半径的增加而减小.     

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。     

填充比对三角晶格等离子体光子晶体色散关系的影响

采用有限单元法,分别对TE模式、TM模式下三角晶格等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算,分析了等离子体填充比对能带位置和禁带宽度的影响.结果 表明:TM模式下等离子体光子晶体在M-F、X-M两个方向上存在不完全带隙,随填充比的增加,带隙位置向高频移动,禁带宽度增大直至达到一稳定值.TE模式下等离子体光子晶体不仅存在禁带结构,还在低频处形成了表面等离子体波的平带结构.随填充比的增大,TE模式等离子体光子晶体由X-M单一方向的不完全带隙形成了完全带隙,带隙宽度随填充比的增大而增大.本文提供了一种可调谐等离子体光子晶体的有效方法,有望应用于微波、THz波的可调性控制.     

边界载荷对层级椭圆穿孔板超材料带隙的影响

为探索边界载荷对超材料带隙特性的影响,本文构建了一种层级椭圆穿孔板超材料,将载荷直接作用于结构的边界,采用有限元法研究了边界载荷导致结构变形所引起的带隙变化。建立了3个层级椭圆穿孔板有限元模型,将三维椭圆穿孔板简化为二维平面结构,以便于研究结构的面内带隙特性。分析了有无边界载荷作用时层级椭圆穿孔板的带隙特性、传输损耗和带隙边界对应的振型。结果表明,引入层级设计可降低带隙频率,施加边界载荷可打开更多完全带隙和方向带隙,从而更好地抑制弹性波传播,为穿孔板类超材料设计提供了一种新思路。     

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.     

分形凹角蜂窝结构声子晶体振动带隙特性

凹角结构具有优良的减振降噪特性,可以有效衰减结构振动响应,蜂窝结构具有优良的力学特性并已经较为普遍地被应用到工程之中,因此凹角蜂窝的复合结构引起了学者们的关注。本文通过对内凹蜂窝结构分形设计,构建了一种新型声子晶体模型。基于有限元方法对分形凹角蜂窝结构进行分析,计算能带结构以及振动传输特性,分析结构的负泊松比特性以及结构分形对振动带隙的影响。通过改变壁厚和内凹角度等参数,以及在分形结构顶点处填充钢材,可以更好地对某些频段振动产生抑制。结果表明:分形结构仍具有负泊松比特性,分形结构在二阶结构产生的带隙更宽,壁厚和凹角角度的增加会导致结构振动带隙向高频区域转移,填充钢材会使带隙变宽。     

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面柱声子晶体结构:嵌入式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅰ)和粘接式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅱ)。通过对其带隙特性的分析得出:这两种新结构与经典的单面柱声子晶体相比,都具有更低频的带隙,这对于低频减振降噪是非常有利的。本文的结果将对实际的工程应用提供一定的理论指导。     

Mg2Sn机械性质及热电输运性能的第一性原理计算

窄带隙半导体材料Mg₂Sn具有丰度大、密度低、无毒及环境友好等特点,是中低温热电材料的优秀候选者。本文基于密度泛函理论,结合不同形式的电子交换关联能系统分析了Mg₂Sn晶体的弹性系数、声子振动谱和电子能带结构,并基于非平衡玻尔兹曼输运理论计算了Mg₂Sn的热电性能。结果表明,GGA-PBE作为电子交换关联能可以很好地拟合立方相Mg₂Sn的力学性能(声子振动谱无虚频率),其体弹性模量为42.1 GPa且各向同性。同时,当工作温度高于300 K,Mg₂Sn的德拜温度开始趋于平缓且不高于315 K,表明Mg₂Sn在该温度区域内具有低声子热导率。使用B3LYP作为电子交换关联能可以估算Mg₂Sn费米能级附近的电子结构,发现价带顶附近存在三重简并态。同时计算结果表明,Mg₂Sn p型掺杂下的热电优值(ZT值)优于n型掺杂,可达1.05。本研究结果为进一步优化Mg₂Sn热电性能的研究提供借鉴。     

田字形地震超材料甚低频宽带隙机理

在地球中传播的地震波主要有体波和表面波,而表面波中Rayleigh波对建筑物造成的破坏最为强烈。针对Rayleigh波的振动控制,提出一种田字形超材料结构。相比于传统的地震超材料,这种超材料屏障是由外部口字形框体内部嵌套十字形柱体组成,形成4个可填充区域,其外部框体采用部分埋入的方式,具有高强度、强稳定性、填充方式灵活的特点。应用有限元法计算了田字形超材料的能带结构和传输特性,并通过分析带隙边界处模态振型可知,带隙的打开是由于柱体的局域共振。结合带隙机理可知,柱体结构中土壤填充量不同可改变柱体的质量,形成不同的谐振频率,产生甚低频带隙。为进一步拓宽带隙,设计研究了正、负梯度的质量填充方式,均可得到3.3~13.1 Hz甚低频宽带隙,在谐振频率范围内两者的隔震方式分别为Rayleigh波彩虹捕获和Rayleigh波到体波的转化。最后,采用EI-Centro地震波对填充屏障进行了时程验证,加速度最大幅值衰减超过80%,为地震超材料在减震隔震方面应用提供了新的设计思路和方法。     

基于Helmholtz共振腔的组合结构带隙特性研究

Helmholtz共振结构的声屏障在控制道路交通噪声方面具有潜在的应用前景。为有效提高特定频段的噪声控制,本文设计了一种主腔连接4个副腔的Helmholtz复合共振腔结构。首先,利用有限元法对共振腔模型进行计算分析,得出共振腔的禁带结构和声传播损耗曲线;其次,利用声-电类比法建立了Helmholtz共振腔的等效电路,并对带隙的产生机理进行分析;最后,讨论了结构参数对Helmholtz共振腔带隙的影响,并分析这些参数对第一带隙下限的影响机理。结果表明:声波在Helmholtz共振腔单元间同时存在相互作用和腔内谐振效应,能在晶格常数为60 mm的情况下获得范围为432.43~663.98 Hz的第一带隙,比单、双开口圆环带隙起始频率更低,且大部分频率范围的隔声量达到10 dB以上,最大隔声量超过90 dB,表现出良好的中频隔声特性;等效电路模型与有限元法的计算值的最大误差不超过10%且平均误差低于5%,建立的等效模型是合理的;结构参数对于带隙有较大影响,主要是通过影响共振腔内部气体的体积从而影响带隙。     

Compositional design of high modulus glasses for disk substrates

Modified equations have been derived on the basis of Makishima–Machenzie (M–M) theory for direct determination of the elastic modulus of glasses from composition. This modified calculation model gives an excellent agreement between the measured and estimated values of elastic modulus for over 50 different glasses. Using this model we developed a glass in the Li₂O–MgO–Al₂O₃–Y₂O₃–TiO₂–SiO₂ system with elastic modulus value greater than 130 GPa and bending strength higher than 50 kg f/mm². This high modulus glass substrate is expected to provide a solution to the vibration problem of rapid rotation magnetic disk and allow higher track density per inch to be achieved for high performance hard-disk drives (HDDs).     

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。