二维声子晶体薄板的振动特性

从薄板的振动方程出发,利用平面波展开法,给出了无限周期结构的二维声子晶体薄板的振动能带结构。发现二维声子晶体薄板存在振动带隙,但是与二维声子晶体xy模态的能带结构有区别。利用有限元法,对有限周期结构的声子晶体薄板振动频率响应进行仿真。在带隙频率范围内,频率响应存在较大衰减。并且给出了带隙内和带隙外两个频率点的波场分布。周期结构薄板中存在的振动带隙为声子晶体在减振方面的应用提供了一种新思路。

薄板型声子晶体材料参数对弯曲振动带隙的影响

借助改进的平面波展开法,从薄板弯曲波的波动方程出发,分析了材料参数对正方晶格/正方散射体的薄板型声子晶体的第一个完全带隙和第一个Γ-X方向带隙的影响。结果表明,散射体和基体材料的杨氏模量比和质量密度比是影响薄板弯曲振动带隙的关键材料参数;弯曲振动的第一完全带隙和第一Γ-X方向带隙都在由杨氏模量比和质量密度比组成的空间内被分为两个区域,能带结构分别具有Bragg散射特征和局域共振特征。

基于声子晶体带隙特性的薄板减振设计

基于平面波展开法和薄板振动方程,计算了薄板型声子晶体的带隙和减振特性,通过与有限元软件的计算结果验证带隙计算的正确性,并进一步讨论了散射体几何形状及填充率、弹性模量比、密度比等对薄板型声子晶体带隙特性和减振的影响。结果表明正多边形散射体随边数的减小,第一带隙宽度逐渐增加,正方形散射体薄板减振效果明显。填充率对声子晶体带隙特性的影响不是线性的。随散射体基体弹性模量比数量级增大,第一带隙趋于低频,宽度降低。散射体基体弹性模量比较大时,密度比越大,第一带隙宽度越大,对应的薄板结构减振特性越好。

复式类正方格子声子晶体薄板的带隙研究

将一种复式类正方格子引入声子晶体薄板,其基元包含5个圆形散射体。利用平面波展开法研究了其纵向振动带隙结构,发现通过改变基元内不同位置处散射体的半径比及填充率,可以调节声子晶体带隙的宽度和位置。通过与相同填充率下的正方格子和Bathroom格子对比发现,复式类正方格子在合适的半径比之下可以获得更宽的带隙。

幂指数棱台声子晶体对薄板振动弯曲波的调控特性研究

针对薄板结构的振动控制,提出了一种幂指数棱台声子晶体构型,并对其带隙的产生机理和影响因素进行了分析,结果表明提出的幂指数棱台声子晶体具有三个弯曲波完全带隙,其中第二带隙宽度可达850 Hz。联合数值仿真和试验方法对声子晶体的弯曲波带隙进行了验证。随着棱台结构高度的增加,三个带隙的带宽扩大。棱台的幂函数幂次升高会使带隙的起始频率与终止频率降低,而边缘厚度的增高会弱化能量聚焦效应使带隙的宽度逐渐变窄。具有线缺陷的声子晶体板可使带隙频段内的弯曲波沿着设计路径传播。

基于FGMs的声子晶体带隙调控及振动特性研究

为抑制舰艇典型板壳结构低频振动,基于局域共振理论,设计了一种悬臂式声子晶体结构,开展了数值计算并揭示带隙发生机理,探究了各尺寸参数对带隙特性的影响。同时基于功能梯度材料(functional gradient materials, FGMs)思想,提出固有频率梯度组合带隙调控方法,可有效拓宽低频带隙范围。最后,设计振动特性试验并分析误差产生的原因。结果表明:悬臂梁边长越长,带隙宽度变窄,悬臂梁宽度及厚度增加,带隙宽度变宽;固有频率梯度组合研究中,当整体固有频率变化率小于8.1%时,带隙范围有效拓宽。当相邻两者固有频率变化率大于12.27%时,可呈现多频带隙特性;增加悬臂梁安装数量可在固有频率梯度组合的基础上进一步拓宽禁带范围,该研究成果可为船舶板壳结构隔振设计提供参考。

附着式局域共振声子晶体薄板的带隙解析解

声子晶体(phononic crystal,PC)作为一种具有超材料特性的复合减振材料,其带隙范围的计算一直是研究的重点,目前主要的计算方法都是数值方法,得到的带隙范围依赖于系统参数的选取,而带隙的设计只能采取参数试凑或优化的方法。针对以上问题,根据局域共振型声子晶体(locally resonance phononic crystal,LRPC)薄板的动力学方程,得到系统振动位移的解析解。在此基础上,得到了阻抗表达式,并根据阻抗的概念阐述了带隙的形成机理,讨论了系统阻尼对带隙的影响,得到了无阻尼条件下带隙的解析解,所得结果与有限元及平面波展开法的计算结果一致。利用带隙解析解,可以非常方便地设计局域共振声子晶体薄板的带隙,为声子晶体的研究和应用提供了全新的方法。

基于COMSOL局域共振声子晶体薄板振动带隙研究

针对低频振动控制问题,研究一种局域共振声子晶体薄板的振动带隙。首先,基于弹性波方程及Bloch定理,探讨应用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算的可靠性;然后,模拟计算所设计的局域共振声子晶体薄板的振动带隙,分析其带隙结构和元胞结构参数对振动带隙的影响,并以200 Hz~400 Hz的中低频为目标频段,通过选择带隙宽度在目标频段内占比最大的参数组合作为声子晶体薄板的最优设计方案;最后,在频域上考察声子晶体薄板内波的传输特性。研究表明,利用COMSOL有限元模拟方法开展声子晶体振动带隙计算是可靠的,与数值计算方法相比,其计算的带隙参数误差都很小;对于所设计的局域共振声子晶体薄板,元胞的结构参数对振动带隙具有显著影响,通过优选元胞结构参数,可使声子晶体薄板的振动带隙向低频区域移动;薄板内波的传输特性和薄板的振动位移图进一步证实了在振动带隙内薄板对波传播的阻碍作用。

局域共振型声子晶体薄板结构带隙研究

文中对于局域共振型声子晶体薄板贴附“弹簧-质量块”结构,运用传统的平面波展开法计算其弯曲振动能带,引入灵敏度分析的方法分析弹簧振子参数对能带的影响。结果表明局域共振能带相对于Bragg散射能带的灵敏度分析结果更为显著。接着推导并验证了Bragg散射能带的计算方法。最后文中指出灵敏度分析的方法为声子晶体薄板结构的带隙优化算法提供了依据。

声学超材料在低频减振降噪中的应用评述

低频机械波在传播过程中穿透力强,难以衰减,特别是次声频段的机械波易与机体器官发生共振,对身体造成危害。为了实现对低频机械波的有效控制,解决现代工业生产和生活中普遍存在的噪声污染问题,结合最近十几年发展起来的声子晶体和声学超材料,系统地总结和论述通过声子晶体和声学超材料解决低频振动噪声问题的新方法。归纳和总结典型的低频振动噪声来源和对其进行控制方面存在的一些困难,介绍低频振动噪声的危害。重点概括基于声子晶体禁带特性实现低频振动噪声被动控制的相关研究工作,主要介绍通过亚波长尺寸特征的杆、薄板和薄膜类结构来实现低频振动和噪声衰减的具体方法和效果。在声学超材料的理论框架下,讨论薄膜类结构在低频振动噪声衰减中的应用及其优缺点。通过结合实际工程需要和最新研究动态,对这一领域存在的问题和后续发展趋势进行总结。研究对推动声子晶体和声学超材料在工程实践中的应用具有一定的引导意义。