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。

基于声虹吸效应的薄膜声学超材料结构设计与低频吸声性能研究

针对低频噪声防治问题,本文设计了一种薄膜型声学超材料,通过引入质量块自身结构的不对称性,使其在低频范围内形成新的振动模态,实现低频范围内有效控制噪声。所设计单胞结构在200~1000 Hz的范围内存在4个完美吸声峰,吸声系数0.56以上的频带宽度达到350 Hz,平均吸声系数达到0.53。我们通过进一步优化了薄膜超材料的几何参数,并构建了超胞结构,实现声虹吸效应。通过增加不同共振频率的结构单元,使得结构与空气阻抗相匹配,在研究的低频宽带范围内,吸声峰达到10个,最大吸声系数为0.983,平均吸收系数达到0.781,有效拓宽薄膜超材料结构的吸声范围。该研究提升了声学超材料低频吸声效果,为声学超材料结构设计与优化方面提供了解决思路。

大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究

针对低频声波的衰减问题,设计了一种大尺寸月牙盘非对称薄膜型声学超材料结构,利用有限元法计算了其传输损失和位移场。其结构尺寸可达100 mm,隔声频率降低至10 Hz,并在10~500 Hz的低频范围内展现出良好的隔声性能。与对称型薄膜声学超材料结构的隔声频带和隔声量相比,通过在单胞中引入不对称性,使得结构的低频隔声频带拓宽了23 Hz。通过模态分析发现,不对称性使薄膜声学超材料产生更多的振动耦合模式,Lorentz共振与Fano共振的同时存在提升了月牙盘型非对称结构的隔声性能。同时,薄膜和质量块的尺寸与偏心量等参数变化可进一步优化隔声效果,为声屏障低频隔声效果的提升在结构优化设计方面提供了一种解决思路。

球形复合柱表面波声子晶体的带隙特性仿真

设计了一种由镍球与环氧树脂垫层组成的复合柱沉积在铌酸锂基体上构成的表面波声子晶体结构,采用有限元法计算了其能带结构和位移矢量场.结果表明:与具有相同晶格常数的倒圆锥形表面波声子晶体结构相比,研究结构可以在更低的频率范围打开更宽的声表面波完全带隙,且随着复合柱半径增大,镍球体与压电基体的硬边界之间形成限制腔模,相邻高阶带隙间存在能量的耦合以及振动模式的继承;此外,温度场的引入可以实现带隙的主动调控,带隙频率范围随着温度升高向低频移动;通过增加复合柱体的层数,多振子结构与行波发生多极共振耦合,可在高阶能带间打开完全带隙.本文的研究结果为微米级表面波声子晶体结构在100 MHz以下频率范围的带隙特性优化提供了理论支持.

不同缺陷态下具有高光力耦合率的新型一维光力晶体纳米梁

本文设计了一种由两侧挖孔的六棱柱单胞周期性排列而成的新型光力晶体纳米梁谐振腔,利用有限元法计算了该结构在不同缺陷态下的带隙特性.基于移动边界效应和光弹性效应机制,采用一阶微扰理论并借助光力耦合系数计算法获得了光力晶体纳米梁谐振腔的光力耦合率,同时分析了谐振腔声学模态的对称性,并对光力耦合机制进行了探索.研究表明:改变缺陷数量或优化几何结构均可改善光学模式和机械模式的重叠性;对于同种缺陷不同数量的谐振腔结构,缺陷数量只会影响光力耦合率中移动边界效应和光弹性效应的作用方式,而几乎不会改变其耦合率的大小.分析具有梯度缺陷的光力晶体纳米梁谐振腔的振动模态对称性发现,只有关于x-y,x-z,y-z平面偶对称的振动模态才能与光学模态产生强耦合,并得到高达2.25 MHz的光力耦合率.