薄壁空心球充填节理消波能力试验研究

地下水在防护工程消波层中几乎是不可避免的,采取技术措施降低地下水对消波层效能的不利影响对防护工程十分重要。为量化新型防护材料的实际效能,通过分离式霍普金森杆试验研究了在干燥与饱水两种工况下薄壁空心球粒集料对高频高幅应力波的衰减能力,并与标准砂进行对比。试验结果表明:在饱水工况下,被测材料的消波能力均有降低;但是在高幅值冲击荷载作用下,薄壁空心球粒集料在两种工况下均较标准砂表现更强的变形能力,尤其是在饱水工况下,新型薄壁空心球粒集料填充节理的应力波透射率仅为相同条件下标准砂填充节理的18.99%~37.6%。使用薄壁空心球粒集料替代传统干散砂作为消波材料可以大大提高地下防护结构消波层在饱水不利工况下的消波效能。

模型参数对开口空心球超材料透射行为的影响

为了探究模型参数对开口空心球(Split Hollow Spheres,SHS)超材料声学透射行为的作用机理,采用声学有限元方法(FEM)模拟了SHS超材料结构单元,计算球壳材料杨氏模量、泊松比、密度以及环境温度和气体密度等模型参数发生变化时的声透射谱,并推导出相应结构单元的等效模量值,最后将各参数对透射谱和等效模量的影响进行比较。结果表明:当SHS球壳材料的杨氏模量增大到2×108 Pa时,声透射谱中阻带峰值和负等效模量频带同时向高频方向移动,透射阻带宽度保持不变;球壳材料的泊松比和密度对透射阻带和负等效模量频带无明显影响;当环境温度逐渐升高时,阻带峰值和负等效模量频带同时向高频方向移动,透射阻带宽度保持不变;当气体密度逐渐增大时,阻带峰值向低频方向移动且幅值变小,透射阻带宽度变窄,同时负等效模量频带向低频方向移动且幅值变小。研究发现,在球壳的材料参数和环境因素中杨氏模量、温度和气体介质的密度对SHS结构单元透射行为的影响尤为突出。

一种基于开口空心球的声学超材料

提出了一种基于局域共振的开口空心球(spilt hollow spheres,SHS)模型,数值计算和声学透射实验结果表明基于该模型的声学超材料可以实现负的弹性模量.为了说明SHS的局域共振性质,研究了微结构SHS几何尺寸(例如开口孔径d和空心球直径D)变化时材料的透射性质,结果表明SHS的几何尺寸的改变对声学超材料的透射吸收峰频率有显著影响.另外,还研究了SHS不同排列方式对透射行为的影响,发现单层样品中SHS单元数目以及晶格常数的变化不会引起谐振频率的变化,但是随着SHS单元数目或者样品排列层数的增加,材料的谐振强度可以得到明显增强.