一维声子晶体的传输特性

推导出一维声子晶体的转移矩阵,研究了一维声子晶体的传输特性.得出:声波在一维声子晶体中传播时会出现一系列禁带,各级禁带的频率中心是等间隔的,各级禁带的频率宽度是相等的.相邻禁带的频率中心的间隔随介质的厚度成反比变化,禁带的频率宽度随介质的厚度成反比变化.禁带的频率宽度随两介质声阻抗的差值的减小而减小.     

一维固-液声子晶体表面消逝波传播模式

为了研究一维固-液声子晶体,应用Bloch定理和边界条件解析推导出一维固-液声子晶体的表面消逝波传播模式存在条件的方程.在一定条件下,一维固-液声子晶体存在表面模式.对表面模式,声波位移场集中在半无限一维固-液声子晶体的表面,在背景材料和声子晶体内部声波衰减.在所有层中,一维固-液声子晶体的表面模式均具有消逝波性质的位移场.随后的数值研究证明了分析结果.     

一维大周期数声子晶体全反射隧穿的干涉理论

为了解释一维大周期数声子晶体全反射隧穿效应的产生机理,利用波的干涉理论推导出一维大周期数声子晶体的全反射隧穿峰的透射率公式和频率公式,成功解释了一维大周期数声子晶体的全反射隧穿现象的产生机理.利用干涉理论和共振理论对一维大周期数声子晶体全反射隧穿现象的特征进行了比较研究,两者的结论是一致的.     

一维多孔硅声子晶体的带隙研究

多孔硅的力学性质随多孔度有较大变化,因此可以用多孔硅材料来构建声子晶体结构.本文将在理论上讨论一维多孔硅声子晶体的带隙,设计出宽禁带声子晶体结构,分析其相关的物理特性.计算结果表明薄的高孔度插入层将获得宽的带隙,而声子晶体异质结能够获得更宽带隙.     

固-固结构声子晶体中弹性波的禁带及其转型

引入四维波矢的概念,推导出弹性波斜入射固-固结构声子晶体的转移矩阵以及透射系数公式.利用这些公式计算了纵波和横波斜入射固-固结构声子晶体时纵波和横波的透射系数.结果表明:当纵波斜入射时,在透射波中纵波会出现禁带,并且也出现了纵波向横波的转型,随着入射角的增大转型越明显.当横波斜入射时也会出现类似于纵波斜入射时的现象.这些公式成功地解决了弹性波斜入射固-固结构声子晶体的传输问题和转型问题.     

固-液有限周期声子晶体全反射隧穿效应的解析理论

利用倏逝波的概念和多波束干涉理论解释了一维固-液结构有限周期声子晶体全反射隧穿效应产生的原因,并推导出全反射隧穿峰带的波长满足的解析公式.得出了一维固-液结构有限周期声子晶体全反射隧穿峰带的波长随周期数以及周期波程的变化规律,这些结论与转移矩阵法的结论吻合,弥补了一维有限周期声子晶体研究中数值计算方法的不足.     

流固耦合二维声子晶体的数值模拟和实验研究

为了研究流固耦合声子晶体的特性,本文应用有限元方法进行数值模拟并通过实验进行了验证.以二维钢柱/水正方晶格声子晶体为研究对象,利用ABAQUS有限元软件计算得到了完好周期和线缺陷情况下的传输谱和声压分布.同时利用脉冲响应技术进行实验测量,得到了以上两种情况下的带隙范围.结果表明,两种方法结果吻合得很好,说明有限元方法在计算流固耦合声子晶体问题上的优越性.     

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.     

二维准分形结构声子晶体透射特性的数值研究

本文用时域有限差分方法研究了几种具有相似几何结构的准分形声子晶体的透射特性.计算了由水中钨柱组成的二维准分形结构声子晶体的ΓX和FM方向禁带,计算表明,对于钨柱分布在水背景中的情况,这种具有正方形点阵特点的准分形声子晶体存在多频带隙的特点,能带随级数的增大整体地趋向于低频部分.而且这种准分形声子晶体带隙的宽度及中心频率会随声子晶体单胞内结构单元几何形状的改变而改变.     

不同材料构成声子晶体带隙特性研究

基于平面波展开法研究不同材料构成声子晶体带隙特性.数值模拟得到碳散射体与不同基体材料构成正方形声子晶体XY模式的能带结构,环氧树脂基体与不同散射体材料构成正方形声子晶体XY模式的能带结构,正方形和三角形结构声子晶体Z模式的能带结构.结果表明增加散射体与基体的密度比,更容易出现带隙,三角形结构相比正方形结构更易形成较宽带隙.研究结论为声子晶体器件制作提供理论依据.     

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.     

基于进化算法的一维多相声子晶体拓扑优化设计

带隙特性是声子晶体材料和结构的一个重要特征,在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值。控制和调整周期性微结构内的材料布局及属性,可以设计出所需特殊带隙要求的声子晶体。本文通过遗传算法和拓扑优化技术研究了一维三相声子晶体的优化设计,并给出了两个算例研究。结果表明,三相材料能够得到更好的隔振效果,对比两相材料,三相声子晶体能够大幅降低禁带频率,并得到高达99.21%的禁带。可见,利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的。     

布拉格型声子晶体弦的横向振动带隙研究

从弦的波动方程出发,采用传递矩阵法,分析了无限周期的布拉格型声子晶体弦的横向振动能带结构.研究表明布拉格型声子晶体弦具有横向振动带隙,弦内拉力对带隙特性有显著影响,可以方便地用于带隙调节.利用有限元软件和Matlab软件对有限周期的布拉格型声子晶体弦的横向振动传输特性分别进行了仿真和数值计算,结果表明带隙范围内表现出明显的振动衰减,不同拉力条件下的带隙变化也很好地验证了理论分析结果.     

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.     

二维固-液声子晶体带隙特性的实验仿真

声子晶体的带隙特性受不同材料构成和填充率等条件的影响.本文基于时域有限差分法,实验仿真对比固-液、固-气和固-固二维声子晶体带隙特性,得出不同固体材料与水构成二维正方晶格圆柱声子晶体带隙特性,分析了填充率对钨-水结构声子晶体带隙特性的影响.研究结论对固-液声子晶体器件的制作提供参考.     

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.     

局域共振声子晶体的离散化及其线缺陷研究

提出了一种局域共振声子晶体基本模型,将其散射体离散化,研究了二者的能带结构及隔声曲线.采用有限元法结合超原胞技术,将离散模型引入基本模型组成的超原胞中,研究了多种形式的线缺陷对能带结构及隔声曲线的影响.结果表明,离散模型比基本模型具有更宽的带隙,同时隔声效果更好;通过引入线缺陷,可以在能带结构中产生缺陷带,声波被局域在缺陷处只能沿缺陷传播,缺陷带的数量及位置受到线缺陷形式的影响;同时,线缺陷形式影响隔声效果,横向和纵向复合线缺陷隔声效果最好.研究结果可以为声子晶体的实际工程应用提供一定的理论参考.     

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.     

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。