基于周期性结构带隙机理的高速铁路轨道减振降噪研究综述

高速铁路轨道的振动及噪声控制一直是轨道交通领域亟待研究和解决的重要问题。由于铁路轨道结构本身具有明显的周期特性,国内外学者基于周期性结构带隙机理开展了许多关于高速铁路轨道结构中弹性波传播特性的研究,同时,将带隙机理应用于轨道减振、隔振装置和线路声屏障等减振降噪设施也是当前研究的重点。介绍周期性结构带隙控制的基本原理,归纳总结近年来基于带隙机理的高速铁路轨道振动理论分析模型的研究现状,以及铁路轨道减振、隔振装置和声屏障等减振降噪设施的研究现状。最后,针对当前研究分析中存在的一些不足,提出了进一步的研究思路和方向。

一种新型二维声子晶体的低频带隙特性及其形成机理

本文设计了一种新型的二维声子晶体结构,采用有限元法和等效模型法进行了深入研究,发现该结构具有良好的低频吸声性能。通过理论推导和仿真计算发现,在21 mm的晶格常数条件下,该结构在0~800 Hz具有完整的四条带隙。第一带隙下限低至40.28 Hz,且具有约为93 Hz的带宽,计算其传声损失后,发现其在低频域内具有良好的隔声效果,最大隔声量可达87.31 dB。对该结构的多个振动模态分析,建立相应的等效模型,并基于等效模型探究了不同因素对带隙频段造成的影响,总结出该新型二维声子晶体的一般性规律。研究结果表明,增大散射体密度和减小基体密度可以增加带宽,增大填充率和对散射体适当进行开孔处理可以改善带隙特性。该研究对于解决低频噪声控制问题具有一定参考意义和工程应用价值。

双包覆层局域共振声子晶体带隙特性研究

从理论上提出了一种双包覆层局域共振声子晶体结构,结合有限元对该结构带隙产生的机理、影响因素以及隔声特性进行深入分析。结果表明:带隙上边界频率主要由双包覆层弹性模量大的材料决定;下边界频率主要由基体密度小的材料决定。该声子晶体在低频范围具有良好的隔声特性,为声子晶体的结构设计提供理论指导。

新型多重谐振结构声子晶体带隙特性研究

本文设计了一种新型的多重谐振声子晶体结构,建立了带隙上下界频率振动模态的等效模型,通过有限元方法分析了该结构的带隙产生机理以及影响带隙宽度的因素,并对模型的合理有效性进行了验证。结果表明:该结构属于局域共振型声子晶体,能够在中低频段内获得两个带隙,并且内层散射体质量决定第一带隙起始频率,外层散射体质量决定第二带隙的截止频率。通过对散射体质量,填充率,包覆层弹性模量的优化,可以对其带隙上下界频率进行调控。研究结果为声子晶体的结构设计提供了参考。

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.

十字型结构声子晶体带隙及等效模型研究

该文设计了一种新型十字型声子晶体结构,并采用有限元法对其进行了研究;分析了此结构若干共振频率下的振动模态,分别建立了带隙起始频率与截止频率处振动模态的简化模型,探究了结构与材料参数对带隙的影响,验证了简化模型的合理性;最后计算了结构的反射系数与透射系数。结果表明,该结构带隙产生机理属局域共振型,能够在中低频段内产生一个完全带隙。通过对金属芯体密度、基体密度、包覆层的宽度及弹性模量等因素的调节,可以实现对带隙上、下界频率的调节,结构的反射系数与透射系数随入射波频率的变化也与带隙图相应证,当带隙图显示出现带隙时,结构的透射系数也随之下降。

旋转单元型打孔超结构设计及减振性能研究

针对高速列车地板减振需求,设计了一类具有旋转单元特征的打孔弹性超结构,包括交错矩形孔四边形单元、十字矩形孔四边形单元、多边形孔三角形单元。利用Bloch理论和数值分析方法研究了元胞的带隙形成机理和参数对带隙的调控规律,探究打孔弹性超结构的低频和宽带减振应用可行性。接着,根据超结构元胞带隙分析结果建立了交错矩形孔四边形单元、十字矩形孔四边形单元、转角45°内凹多边形孔三角形单元超结构3种3D块状有限周期超结构,分析评估并改进减振块的承载性能,计算其振动传输响应。结合减振特性数值分析结果,确定最优减振块几何拓扑构型,并通过3D打印制备超结构样件,进行振动试验测试。结果表明:使用TPU(thermoplastic urethane)材料时,提出的超结构减振块均满足承载和强度要求;其中,多边形孔三角形单元超结构为最优构型,其在0~5000 Hz频率内衰减范围占比达66.9%。通过振动试验发现,相比于现有动车组减振器,多边形孔三角形单元超结构的衰减范围频率更宽,衰减幅值更大在-15 dB以上,减振效果更优,具有列车地板潜在的应用前景。

周期管路系统的振动特性研究

管路系统广泛应用于船舶动力、海洋工程、建筑环境等领域,其振动噪声可能会导致设备的失效与破坏。具有弹性波带隙特征的周期性结构设计可在特定频段内实现波的人为调控,有效降低管路结构的低频振动噪声。将周期结构引入一维管路系统,基于布拉格散射和局域共振2种带隙机理,设计具备全频段良好减振性能的周期管路结构。结合传递矩阵法和有限元法,计算了布拉格型管路的能带结构与减振特性。建立引入局域共振单元的周期管路系统有限元模型,计算并分析晶格常数、周期数量、局域振子尺寸等参数对周期管路结构振动特性的影响规律。结果表明,基于声子晶体带隙特性设计的周期管路系统具有优良的减振性能。

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。

基于Skewed Miura构型的周期可展结构变带隙分析研究

基于折纸构型的周期结构在一定条件下具有带隙特性,能阻止特定频率的弹性波在结构中传播,这种带隙特征可以调节,为减振结构的开发提供了新思路.对基于Skewed Miura折纸构型的周期性可展结构变带隙机理进行研究.推导了Skewed Miura折纸构型的几何关系,并利用布洛赫波分析框架研究了该构型的带隙情况.将Skewed Miura单元的几何形状和折纸构型的折叠状态作为设计变量,找出该构型的最大带隙值和相应的折展状态.对比发现,Skewed Miura构型带隙的数量及大小明显大于Miura构型,且带隙位置所处频率范围较低.本研究为减振结构的开发提供了新的结构形式.

环形局域共振弹性膜结构低频隔声特性分析

针对超低空空投拉平阶段由航空发动机的噪声引起的非线性PIO(驾驶员诱发振荡)的问题,采用环形局域共振膜结构模型进行减振降噪。结合有限元法和仿真实验对环形弹性膜结构带隙生成机理、带隙宽度影响因素及隔声特性进行分析。仿真实验结果显示:带隙是由共振单元与弹性波耦合的结果,耦合强度直接影响共振频率和带隙宽度;带隙宽度和共振频率受薄膜尺寸和表面面密度的影响,即内环半径越大,表面面密度越大,带隙越宽,共振频率越高;隔声量取决于薄膜面密度、圆环面密度及中心质量环的位置。所得结果:通过优化结构参数,使其在低频范围具有良好的隔振效果,有效的抑制振荡,显著改善飞行品质。

蜂窝状声子晶体带隙特性及隔振性能

设计了一种蜂窝结构声子晶体。用有限元法进行了分析,计算其能带结构图,分析几种振动模式,并阐明带隙机理;针对第一带隙和截止频率的振动模式分别建立等效模型;通过计算不同结构参数的晶体结构的能带图探讨了结构参数对带隙的影响,同时验证了等效模型的合理性,并给出了频率传递曲线。结果表明:该结构为局部共振声子晶体,在36.27~246.91Hz频率范围内存在1个较宽的带隙。通过改变结构参数,可以进一步拓宽结构带隙,并且降低带隙频率。通过优化结构,当频率包含在间隙范围内时,可以实现121.86dB的振动衰减。研究结果为声子晶体结构的设计提供了参考。

基于局域共振型声子晶体在机舱内低频隔声特性

提出了一种正八边形孔状局域共振声子晶体结构,通过有限元法分析了该结构的带隙产生机理、带隙宽度影响因素以及隔声特性。结果表明:共振频率是由局域共振单元与弹性波耦合作用的结果,耦合程度直接影响带隙宽度和弹性波衰减速度,进而影响隔声特性;隔声量取决于正八边形孔状芯体和包覆层的结构特性参数。增大芯体质量,减小正八变形框的边长,同时减小包覆层弹性模量和增大包覆层密度,则带隙宽度增大,第一隔声峰处的隔声量增大,同时第一隔声峰向低频移动。表明通过优化结构参数,可以达到良好的隔声效果,在大型军机舱室低频段降噪具有重要的理论意义。