负泊松比局域共振地震超材料减隔振特性研究

地震是严重危害人类的自然灾害之一,极具突发性和毁灭性,地震波频率大多位于0~20 Hz,属于典型的低频波,而传统隔振结构对低频波的隔离效果差。近年来,随着局域共振型地震超材料隔振屏障的提出,为实现低频地震波的隔离提供了新思路,然而针对超低频地震波的隔离,仍存在挑战。为此,针对传统局域共振地震超材料未考虑其本身的吸能特性,结合负泊松比材料具有良好的能量吸收特性,创新性提出了负泊松比局域共振地震超材料隔振屏障,实现了超低频地震波的隔离。基于周期性理论,利用COMSOL Multiphysics探究其带隙形成机理及其减振的特性。结果表明:通过结合局域共振地震超材料及负泊松比材料,对共振器进行连续周期性排列,得到的新型地震超材料带隙为0.612~13.350 Hz,探明了其带隙形成机制,实现了利用小尺寸隔振屏障得到超低超宽隔振频带;负泊松比材料的泊松比值、密度及弹性模量对频率带隙具有一定影响,实际工程中应选择负泊松比值、密度及弹性模量均较小的负泊松比材料。针对不同主频范围的实际地震波隔振效果的研究发现,对主频大于0.612 Hz以上的地震波具有显著的隔振效果。所提出的负泊松比局域共振地震超材料实现了利用小尺寸隔振屏障对超低频地震波的隔离,在地震波隔离的应用上具有广阔的前景。

复合柱局域共振声子晶体的超宽带隙与可调性研究

局域共振声子晶体因具有良好的低频带隙特性,在低频减振降噪方面具有广泛的应用前景。以设计一种具有超宽带隙的三组元二维复合柱声子晶体结构为目标,该结构由散射体、双包覆层和六棱柱基体板组成,相对应的局域共振单元附加质量比为65.13,利用有限元方法计算该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场。结果表明:在0~3000 Hz的频率范围内相对带宽高达162.10%。与方形柱基体板声子晶体相比,所设计的六棱柱基体板声子晶体的第一完全带隙频率更低且第二带隙频率范围更宽。通过优化几何结构、改变材料参数以及引入压电效应等方式,实现对多条完全带隙的调控,并进一步拓宽完全带隙形成超宽带隙。研究结果可为研发可调低频减振降噪产品提供一定的理论参考。

局域共振弹性超材料梁禁带宽度的拓宽方法

针对传统局域共振弹性超材料存在禁带宽度窄的问题,引入非均匀分布振子设计方法,在不改变振子总质量的前提下实现了禁带拓宽。首先,采用谱元法(SEM)建立通用弹性超材料梁模型,对单、双层均匀振子超材料梁结构的振动传递特性进行分析;然后,保持振子总质量相等,提出单、双层非均匀振子超材料梁的设计策略;最后,搭建实验装置对所提结构的振动抑制性能进行测试。研究结果表明:振子间的特征频率差异越大,最终形成的禁带宽度越宽,但禁带范围内的频响曲线会大幅波动,此时可通过加入适当阻尼进行抑制,使禁带曲线变得平稳;对于双振子超材料梁,振子的质量比和阻尼均会对结构的禁带特性产生影响,在振子与梁质量相同的条件下,单层非均匀及均匀振子超材料梁可分别形成带宽为440、68 Hz的禁带,双层非均匀及均匀振子超材料梁可分别形成带宽为395、40 Hz的禁带。研究表明所提超材料结构能够有效实现振动抑制,可为周期结构的振动问题提供一种新的调控方法。

圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板减振特性分析

针对机械设备中的低频减振问题,提出一种圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板结构,即在双层板间周期性排列具有圆柱空腔的橡胶层和实心散射体振子。首先结合弹性波理论和BLOCH定理,采用有限元方法计算带隙范围并分析弯曲波带隙形成的原理,其次通过单变量和组合变量的方式分析单元参数对带隙的影响规律并依此对单元参数进行调整,使其弯曲波带隙范围为48.52~206.21 Hz,最后通过振动传输特性仿真验证其对弯曲波振动的减振效果。研究表明,圆柱空腔橡胶层双层板式声子晶体可以产生200 Hz以下的弯曲波带隙,且可以通过调整单元参数来使其匹配目标减振频段。声子晶体板的振动传输特性分析和振动位移图验证了其对带隙范围内弯曲波传输的抑制作用,可为基于声子晶体减振的工程应用提供一定的参考。

埋地局域共振超屏障衰减地震表面波研究

局域共振超材料突破了Bragg散射型周期结构在低频应用的困境,实现结构的小尺寸控制大波长,因此该文提出将谐振器单元沿深度方向周期性布置形成埋地超屏障,并探究其对低频地震表面波的衰减性能。基于局域共振超材料的有效质量概念和有效介质方法,推导了全共振半空间和有限埋深超屏障中Rayleigh波的频散方程,并编制相应的计算程序求解得到理论频散关系。采用有限元分析软件COMSOL MULTIPHYSICS建立全共振半空间和有限埋深超屏障的二维单胞有限元模型,通过特征频率分析求解埋地超屏障的数值频散关系,验证理论简化分析方法的有效性,同时利用数值方法研究了超屏障埋深对频率带隙宽度的影响。建立有限埋地超屏障和Bragg散射型周期波屏障的传输分析模型,通过频域分析和瞬态分析方法研究了两种波屏障在谐波激励和地震动下的动力响应。研究表明:埋地超屏障具有带隙起始频率低、设计灵活的特点,对表面地震动具有明显的衰减效果,有望作为一种新型隔震技术应用于工程实践。

一种局域共振型声学超材料的半解析建模与带隙机制研究

基于声学黑洞(acoustic black hole, ABH)弧形梁体积小且模态频率丰富的特点,将声学黑洞弧形梁作为附加结构周期分布在直梁上,达到促进局域共振效应和拓宽低频带隙的作用,由此构建一种新的局域共振型声学超材料。针对局域共振型超材料,采用高斯展开法,建立其半解析理论分析模型,基于零空间法处理其内部连接以及周期边界条件,并通过有限元法验证半解析理论分析模型的准确性。分析和计算其能带结构,研究结构参数以及ABH效应对布拉格带隙以及局域共振带隙的影响机理。研究结果表明,该半解析理论模型能够对结构的带隙进行有效计算,附加弧形ABH的陷波机制能够促进结构的局域共振效应并对主梁进行有效减振,为声学黑洞声学超材料的应用提供了新的思路。

轴对称低频局域共振声子晶体带隙分析及优化

本文提出了一种新型轴对称Helmholtz声子晶体(AHPC),并对其进行了深入研究。通过建立数值模型,获取了AHPC结构的完整带隙,揭示了其带隙形成机理,描述了带隙边缘的声压分布特性,并通过实验获取了低频带隙,验证了数值模型的准确性。本文定量化地研究了颈部长度、颈部宽度和腔体长度对低频带隙宽度和带隙边缘频率的影响,明确了这三个参数是影响带隙分布的主要因素。其中颈部长度、腔体长度与带隙宽度正相关,与带隙边缘频率负相关,颈部宽度与带隙宽度和带隙边缘频率均呈正相关。基于Box-Behnken模型进行了响应面分析,得到了带隙宽度和带隙下限与三因素值间的函数关系。基于已获得的函数表达式,采用内点法对结构参数进行了优化,并通过数值模拟验证了优化结果,得到了具有298.49~519.27 Hz低频带隙的最优AHPC结构。

阻尼可调局域共振梁的设计与试验分析

局域共振型声学超材料能够形成低频局域共振带隙,控制弹性波传输,为实现结构减振降噪提出了新的思路。针对局域共振单元的阻尼对弹性波带隙的影响,设计阻尼可调的局域共振梁,进行数值计算及试验分析。提出通过外接分流电路与惯性作动器串联,实现阻尼可调的振子单元,并分析分流电路参数与阻尼之间的关系;最后引入负电阻分流电路实现对分流惯性作动器阻尼的调节,并拓展局域共振梁的带宽。数值计算和试验分析结果表明,局域共振梁存在最佳阻尼比范围。当惯性作动器等质量时,分流电路总电阻在1.535 2~5.571 1Ω内取值,带隙宽度达到最大;当相邻惯性作动器质量间隔为5 g时,总电阻在1.476 9~3.257 7Ω内取值,带宽达到最大;当质量间隔为10 g时,总电阻在0.986 2~2.046 9Ω内取值,带宽达到最大。

基于局域共振理论的双层筋板带隙研究

三角筋板结构广泛应用于各种载运设备。低频振动及噪声具有波长较长、能量较大等特点,因此处理难度较大。本文采用声子晶体局域共振理论对双层筋板的低频振动进行减振研究,结果表明,通过在附加局域共振子的方式,运用有限元法可以计算出500Hz以下低频段带隙,可以为实际运用提供理论基础。

局域共振夹芯超结构梁带隙特性及实验研究

本文提出了一种新型局域共振夹芯超结构梁,该结构由夹芯梁基体和由软材料包裹质量块组成的局域共振单元构成。分别采用传递矩阵法和有限元法计算了该结构的带隙分布和振动传输特性,搭建了局域共振夹芯超结构梁的振动传输测试实验平台,并与数值计算结果进行对比验证,最后分析了结构参数对结构带隙分布特性的调控规律。研究结果表明,该结构在低频范围内共出现两条弯曲波带隙,带隙频率分别为196.1~339.0 Hz和377.2~655.6 Hz。而完全带隙位于弯曲波带隙内,频率范围为380.0~423.6 Hz。且在这两条弯曲波带隙范围内,弯曲振动传输会发生明显的减弱现象。另外,局域共振夹芯超结构梁的结构参数会对带隙分布特性产生较大影响,通过合理选择结构参数,可以实现局域共振夹芯超结构梁低频率和高带宽的减振要求。

悬臂梁式局域共振单元的弹性波带隙特性研究

提出了一种由通孔悬臂梁和质量块组成的新型声子晶体构型,并对包含该构型的二维周期阵列板的带隙特性进行了数值分析和实验验证。结果表明,所提出结构中存在多条弯曲波带隙,其形成机理是由于基体中弹性波与局域共振结构谐振特性发生耦合,且带隙的宽度与耦合强度相关,进一步研究发现模态有效质量占比是模态是否产生带隙的一个考量标准。同时,研究了局域共振单元的晶胞常数和几何参数对带隙的调控规律。基于以上研究,通过改进原始局域共振结构,得到了更加丰富的带隙特征,为宽频带隙的设计提供了一种可行的思路。通过仿真计算和实验得到了有限周期结构板的振动传递率,其衰减频段与带隙范围基本吻合,表明了该结构具有良好的低频减振性能,且结构简单,在减振降噪领域具有广阔的工程应用前景。

局域共振声学超材料耦合效应研究

针对传统的声学超材料存在降噪频率窄、造价成本过高、实现难度大等诸多问题,提出一种带柔性薄膜结构的Helmholtz共振腔声学超材料结构,以局域共振耦合效应现象为出发点,推导出Helmholtz共振腔和柔性薄膜的数学模型。运用COMSOL Multiphysics软件对模型进行仿真分析,研究表明,该结构产生了2个局域共振峰值。为了实现对声学超材料消声频带的控制,向薄膜内注入液体。实验测试表明,当注液量从0增至35 mL时,薄膜峰值处的共振频率从612 Hz偏移到446 Hz,偏移量为166 Hz。所设计的局域共振声学超材料在频带范围内对低频噪声具有良好的控制效果,为声学超材料的设计提供了一种方法。

基于局域共振型声子晶体点缺陷态特性的低频振动能量回收研究

针对环境中广泛存在的低频振动控制问题,设计了一种二维三组元的新型局域共振型声子晶体结构。将完美声子晶体结构中一个单胞替换为压电材料以形成点缺陷结构,利用有限元方法对缺陷带的能量局域化特性进行了仿真研究,并探究了超胞大小和缺陷位置对能量回收性能的影响。研究表明,在能量回收系统中引入局域共振型声子晶体结构,可以显著提高系统的能量回收性能;当超胞结构的大小满足足够的周期性时,利用缺陷态回收的振动能量逐渐趋于稳定并达到最大值;在给定的超胞结构中,存在一个最优的缺陷位置,使得系统的振动能量回收性能达到最佳。对于最优的5×7超胞结构,在252.9 Hz处产生的最大峰-峰值电压为243.5 mV,是相同大小的环氧树脂裸板结构在同一频率处产生的输出电压0.64 mV的380倍。该研究结果可为低频弹性波的调控和解决低功耗仪器的自供电提供理论参考。

新型局域共振型浮置板轨道制备及测试研究

本文通过在既有点支撑浮置板轨道优势的基础上,融入局域共振理论思想,提出一种基于局域共振理论的点支撑浮置板轨道:调谐式复合弹簧浮置板轨道。以进一步降低关心频段(<200 Hz)的振动响应,从而达到更好的减振效果。同时,通过减振效果测试研究分析调谐式复合弹簧浮置板轨道的振动特性,检验其减振效果。通过检测分析发现,本文研制的调谐式复合弹簧浮置板轨道:1)在1Hz~200Hz测量的频率范围减振效果显著,可达到15.9 dB,满足行业内对于特殊减振的要求(通常为≥15dB),尤其在20Hz~100Hz、120Hz~180Hz、220Hz~250Hz以内减振效果显著。可有效解决现有高等及特殊减振技术中的低频振动放大的壁垒;2)一阶自振频率为10.7Hz,阻尼比为5.6%,均符合标准《CJJT191-2012》要求。

细直梁弯曲振动中的局域共振带隙

通过将声子晶体中的局域共振思想引入到细直梁的结构设计中,构造了一种具有低频局域共振带隙的周期结构细直梁。采用传递矩阵法计算了周期边界条件下该细直梁弯曲振动中的弹性波能带结构,计算结果表明该结构中存在低频弯曲振动带隙。采用有限元法计算了有限周期该细直梁的振动传输特性。以有机玻璃、橡胶/铜块振子构成的该局域共振细直梁为例,采用振动试验方法对其振动传输特性进行了测试。试验结果同理论及仿真结果相吻合。结果表明,局域共振结构可大大降低带隙频率,并增大带隙衰减。梁类结构是噪声及振动控制领域研究的主要对象之一,局域共振结构的应用为其提供了一种新的思路。

螺旋局域共振单元声子晶体板结构的低频振动带隙特性研究

低频振动和噪声的控制问题是当今环境面临的重要挑战。基于声子晶体的局域共振机理,设计一种新型的螺旋局域共振单元声子晶体板结构,并结合数值计算和试验测试对结构的低频振动带隙特性进行分析和验证。分析发现,共振带隙的产生是由螺旋共振单元的局域共振模态与板中传播的弹性波相互耦合作用造成的,而且带隙宽度与耦合强度直接相关。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低频范围。数值计算结果与试验测试结果基本一致,同时证实所设计的结构在250 Hz以下的低频范围具有较宽的振动带隙,最低带隙频率低至42 Hz。这种结构设计及其研究结果为声子晶体研究提供了获得低频振动带隙的理论依据和有效方法,在低频减振降噪方面具有潜在的应用前景。

基于质量放大局域共振型声子晶体的低频减振设计

针对低频结构振动控制,设计了一种质量放大局域共振型声子晶体。基于周期结构的Bloch定理和有限元方法研究了无限声子晶体的能带特性,同时基于有限元法研究了弹性波在有限周期结构中的传播特性。在此基础上,对声子晶体质量放大带隙与局域共振带隙的形成机理和带隙特性进行了研究。最后以梁框架结构低频减振为目标,将设计的质量放大局域共振声子晶体嵌入框架结构中,综合应用声子晶体带隙特性和黏弹性材料阻尼特性,实现低频宽带振动抑制效果。进一步,对框架结构一阶固有频率,进行声子晶体结构优化设计,实现了一阶固有频率处振动的高量级抑制,并设计制备实验样件,进行实验验证。结果表明,这种质量放大局域共振声子晶体可以为结构低频减振提供一种新的实现方法。

基于局域共振声子带隙的扭转减振器设计方法

通过动态等效转动惯量分析,讨论了扭转减振器的减振频带特性与局域共振声子晶体带隙的相似性。基于局域共振声子晶体理论提出扭转减振器减振带隙的计算方法,并研究了扭转减振器几何设计参数及材料设计参数对减振带隙的影响规律。在此基础上,针对某国产MPV车型传动系扭转振动引致的车内轰鸣声问题,运用减振带隙计算方法设计扭转减振器,试制、安装样件并进行整车传动系扭振及车内噪声试验。结果表明,该扭转减振器可有效抑制传动系扭转振动,降低车内轰鸣声,提升整车声振舒适性。

局域共振型加筋板的弯曲波带隙与减振特性

通过在加筋板结构上附加周期性排列的"弹簧-质量"共振子单元,构造了一种局域共振型加筋板结构.针对这种新型结构,基于有限元法和周期结构Bloch定理,建立了其弹性波传播与振动特性理论计算方法;采用该方法深入研究了局域共振型加筋板的弯曲波带隙特性和减振特性.研究表明,局域共振子能够对加筋板的弯曲波传播特性产生显著影响,一方面使其产生更加低频的带隙,另一方面还能拓宽其中高频带隙.进一步深入分析了共振子的弹簧刚度、共振子的质量对带隙特性和减振特性的影响,发现了有价值的带隙调控现象、规律和减振特性,可为局域共振型加筋板的带隙特性设计与工程减振应用提供理论指导和有益参考.

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。