复式晶格声子晶体的多带隙实验研究

由于人工声子晶体具有天然材料所不具备的异常物理性质,它能够调控弹性波或声波的传输。考虑复式晶格可以降低晶体结构的对称性,容易打开完全带隙,进而抑制波的传播。设计了单胞含6个"原子"的(3.4.6.4)晶格钢/水声子晶体,结合超声浸水透射技术,测试了第一布里渊区Γ-K和Γ-M方向带隙性质。结果表明:实验得到的宽频段8个完全带隙频率范围和有限元法计算值可以很好地吻合。还详细分析了完全带隙边界频率点本征模态和声波局域效应,这对于设计多带隙隔声材料具有重要参考意义。

声致振动对3层微穿孔板吸声体吸声性能影响

为了研究声致振动对3层微穿孔板吸声体的吸声性能的影响,基于微穿孔板吸声理论与声电等效电路原理,对考虑声致振动时,3层微穿孔板吸声体的吸声性能进行了计算。研究发现,考虑声致振动时,3层微穿孔板吸声体的低频吸声性能有所降低,高频吸声性能变化不大。且随着微穿孔板的质量密度的增加,考虑声致振动时的3层微穿孔板吸声体的吸声性能曲线逐渐接近未考虑声致振动的情况。当其它参数保持不变时,随着穿孔板穿孔直径和间距的增加两共振峰逐渐向低频方向移动;随着穿孔率的增加,两共振峰逐渐向高频方向移动。因此,声致振动对3层微穿孔板吸声体的吸声性能有一定的影响,其影响程度与微穿孔板的质量密度和结构参数相关。

穿孔膜与扬声器组合结构吸声性能研究

针对穿孔膜结构低频吸声能力不足问题提出穿孔膜-扬声器复合吸声结构。将扬声器放置于穿孔膜结构后端组成复合吸声结构,可改善结构的低频吸声性能。利用传递矩阵方法建立复合结构吸声理论模型,通过数值计算软件对其吸声性能进行数值计算,并通过阻抗管实验对复合吸声结构的声学性能进行验证,结果显示复合吸声结构的理论和实验变化规律基本一致。扬声器在低频段引入一个吸声峰,调节扬声器的背腔深度可以扩大复合结构的吸声带宽,调节穿孔膜的背腔深度可以使吸声峰值向低频方向移动。合理地设计扬声器和穿孔膜的背腔深度,可以实现结构的高效低频吸声。

错位微缝板吸声性能研究

目前,微穿孔板和微缝板吸声理论成熟、应用广泛。一般,薄板确保了其具备良好的吸声性能,却限制了其工程应用范围。错位微缝板融合了微穿孔板和微缝板,由双层板错位交叠而成,每层板由一系列微缝组成,上下两层微缝交错处形成微孔。交错后的微缝只在交汇的微孔处是通透的,交错形成的微孔仅是一个微孔截面,几何厚度为零。对错位微缝板进行黏热声学仿真,得到结构的相对声阻抗和吸声系数与实验数据一致性较好。仿真分析表明,结构的微孔截面处声压梯度和空气粒子振动速度最大,其黏热声能耗散主要集中在微孔截面的边界处,错位微缝板的厚度对吸声性能的影响远小于微穿孔板和微缝板,可以在厚板上实现较好的吸声性能。

线耦合平板瞬态高频振动响应预报

提出了一种用于线耦合平板瞬态高频振动分析的预报方法.基于瞬态统计能量分析,从子系统能量平衡方程的动力学相似性,推导出了时域尺度变换法则：在时间尺度上进行缩尺变换,而损耗因子相应地成反比变换。在此基础上,针对线耦合平板的能量传递特点,导出了两种不同变换方式：一种对结构的材料参数进行变换,另一种对结构的几何参数进行变换。采用两种连接方式的线耦合平板模型对时域尺度变换方法进行数值验证,结果表明该方法能以较高的计算效率准确获得结构的瞬态高频振动响应。

耦合吸振器的正负刚度并联系统的隔振性能研究

基于动力吸振原理,设计了耦合线性吸振器的正负刚度并联隔振系统。建立了系统的动力学方程,运用平均法进行解析求解,推导了动态响应频域解析解和传递率表达式,数值分析了吸振器的质量、刚度和阻尼对耦合系统隔振性能的影响规律,并与正负刚度并联系统进行了比较。结果表明,选择合适参数的吸振器,可在保有正负刚度并联系统的优良隔振性能的基础上,降低一定频域内被隔振体的振幅,减小系统起始隔振频率,扩大隔振频带宽,改善低频隔振效果。

橡胶减振垫板刚度监测系统研究

近年来铁路运输的快速发展,对轨道橡胶减振垫板刚度提出更高的要求,研究其刚度性能具有重大的安全意义和经济前景,为此设计研究一种基于电测应变法的橡胶减振垫板刚度监测系统,包括传感器模块、无线数据传输模块、Lab VIEW软件模块三部分,利用应变片将橡胶减振垫板受加载力作用时的应力应变转化为电测信号,进而对垫板的刚度进行分析。采用该系统进行垫板静刚度测试实验,实验中该系统能够及时有效的采集垫板在受不同加载力作用时的电压幅值,电压幅值会随着加载力的变化而变化。同时,系统在垫板锥体中部45°贴片位置处测得的电压幅值与刚度成一次函数关系,可有效监测减振垫板的刚度变化。

微穿孔板结构吸声仿真技术研究

利用微孔建模、多孔介质模型和内置穿孔板模型3种有限元方法,对微穿孔板结构的声阻抗及吸声系数进行分析。研究结果表明:微孔建模方法对于经典微穿孔板理论地完善具有促进作用;多孔介质模型计算的声阻相对较小,吸声峰值估计不足;内置穿孔板模型可以代替微孔建模,简化建模难度,提高计算速度,同时也可以保证可靠的吸声计算结果。

道路交通噪声源强快速建模方法

道路交通噪声源强的预测是道路交通噪声预测的关键。由于车辆状况、道路状况等在我国具有不同的特点;因而在采用国外道路交通噪声源强模型时将导致准确性降低。建立源强模型通常采用的实验方法对场地要求严格,样本数量需求巨大,不易获得本地模型。基于标准实验情况建立的模型不一定适用于复杂的城市交通流。为此,提出一种简单快速建立符合本地城市交通特点模型的方法,该方法以实测交通流数据计算观测点噪声,通过优化算法求解最优参数,确定本地化源强模型。该方法利用多辆车共同作用得到的等效声级,反演得到单车模型,既包含了丰富的样本,又节省测量时间。以北京选取道路的实践为例,建立模型并验证,结果表明本方法快速易行,准确性高。

含水平非线性弹簧的准零刚度隔振系统的力传递率研究

提出了一种含凸轮-滚轮-非线性弹簧机构作为负刚度结构的准零刚度隔振器,负刚度结构中对称设计了两个水平阻尼器。通过静力学分析,确定了系统的零刚度条件;建立了系统的动力学方程,利用谐波平衡法进行了幅频响应分析,数值分析了水平弹簧的非线性、激励幅值、竖直阻尼比和水平阻尼比对力传递率特性的影响规律,并与等效的线性系统进行了比较。结果表明:系统引入刚度渐减型弹簧比引入刚度渐增型弹簧所获得的低频隔振性能更好;增大竖直阻尼比和水平阻尼比都可进一步降低传递率峰值,但竖直阻尼比越大,整个高频区的力传递率越大,而较大的水平阻尼比只增大较窄频域内的力传递率,且对高频区的隔振性能无影响。此外,准零刚度系统的隔振性能还与激励幅值有关。与线性系统相比,该准零刚度系统具有较低的起始隔振频率,有效隔振频带宽更宽;在线性系统共振频率附近区域内,准零刚度系统隔振效果比线性系统更加优越;在高频区,两系统的隔振效果趋于一致。

移动简谐荷载作用下轨道结构动态响应研究

研究了移动简谐荷载作用下轨道结构的动态响应特性,首先,将轨道结构简化为连续离散点支撑的弹性Euler梁模型,并建立了移动荷载作用下轨道系统动力学微分方程,基于无限周期结构在频域内的性质和叠加原理,推导出了移动简谐荷载作用下轨道结构上任意点的动态响应解析表达式;然后,数值分析了激励频率、扣件刚度、扣件阻尼对轨道结构动态响应的影响。研究结果表明:钢轨动态响应共振峰出现在荷载激励频率附近;随着激励频率的增大,钢轨动态响应峰值向高频方向移动;在高频段内,钢轨动态响应随着扣件刚度的增大而增大;扣件阻尼对系统的共振峰值及峰值带宽无显著影响,但在高频段内扣件阻尼具有明显抑制振动的作用,通过增大阻尼可以有效控制轨道的高频振动。

不同移动荷载速度下轨道结构动态响应研究

基于无限周期结构在频域内响应的性质和叠加原理,推导出移动荷载作用下轨道结构上任意点的垂向振动频率响应函数,数值分析了在单个移动荷载及6节B型鼓形车编组的系列移动荷载作用下不同移动速度对轨道结构动态响应的影响。研究结果表明:钢轨动态响应共振峰出现在荷载激励频率附近。在共振区随着移动速度的增大钢轨动态响应的频谱峰值带宽逐渐增大,但荷载激励频率附近的一个窄频段内的位移响应将减小。在非共振区随着移动速度的增大,钢轨动态响应将显著增大。相对于单个移动简谐载荷,系列移动简谐载荷使钢轨动态响应的频谱峰值及峰值带宽增大;随着移动速度的增加,钢轨动态响应的频谱峰值带宽增大。

列车运行下环形轨道模型振动试验分析

搭建了环形轨道振动试验平台,开展环形轨道振动试验、轨面不平顺振动试验研究。采用INV3062T信号采集仪和INV-9828加速度传感器分别对轨道的横向响应(道床)、纵向响应(轨腰)、轨道表面和扣件支撑处进行加速度信号采集。通过凸起模拟了轨道不平顺,试验分析了轨面不平顺对钢轨动态响应的影响。分析了速度对横波、纵波和轨面不平顺的影响。结果表明:轨道横向振动幅值远大于纵向振动;相邻扣件中点处的振动响应大于扣件处;轨面不平顺会使振动响应增大甚至引起跳动;随着速度的增大,轨道振动位移响应呈上升趋势。

薄膜超构表面声扩散体扩散性能研究

针对传统的声扩散体结构复杂、加工不便的缺点,该文提出了一种薄膜型声学超材料扩散体,通过有限元软件建立了扩散体的有限元模型。分析了薄膜张力、质量块大小及背腔深度对声波相位调控的影响,并与传统施罗德扩散体的扩散性能进行比较,发现调控后的薄膜超构表面声扩散体对声能的吸收降低,并使入射声能更均匀地向全方向扩散。在相同的尺寸情况下,与传统施罗德扩散体相比,薄膜超构表面声扩散体在所需频段内扩散性能更优,结构更优,体积更小,质量更轻,加工更方便,更适用于工程应用。

磁力负刚度薄膜结构低频吸声特性

针对背腔深度较小的薄膜吸声结构难以实现低频吸声的问题,提出了磁力负刚度的解决方法。采用传递矩阵法,建立了负刚度薄膜吸声结构理论模型,分析得出该结构的声阻抗等同与大背腔常规薄膜吸声结构的声阻抗;阻抗管实验验证得出,在一定磁场条件下,不同背腔的负刚度薄膜吸声结构与无负刚度结构相比其共振频率显著下降,吸声系数曲线与理论结构吻合。负刚度机制能够降低薄膜吸声结构的共振频率,用较小背腔实现低频吸声,从而实现薄型低频吸声结构设计。

吸声材料对亥姆霍兹共振器吸声性能的影响

为了研究吸声材料对亥姆霍兹共振器吸声性能的影响,基于有限元方法,运用COMSOL Multiphysics软件建立了内置吸声材料的亥姆霍兹共振器的有限元模型。仿真计算了吸声材料的厚度和流阻变化对亥姆霍兹共振器吸声性能的影响。研究发现,当材料流阻不变时,随着吸声材料厚度的增加,传递损失逐渐减小,共振频率向低频方向移动;当材料厚度不变时,随着流阻的增加,共振频率先减小后增加;当流阻增加到无穷大时,吸声材料就可以看成刚性壁,导致共振腔体积减小,形成新的共振峰。

薄膜材料吸声性能数值模拟

为了研究薄膜材料的吸声性能,对带空腔的单层薄膜、双层薄膜及未带空腔的双层薄膜的吸声性能进行了数值模拟。在其它参数保持不变时,随着薄膜材料的质量密度和空腔深度的增加,共振频率逐渐向低频方向移动。带空腔的双层薄膜吸声结构的吸声带宽明显高于单层薄膜的吸声带宽;未带空腔的双层薄膜吸声结构在频率低于一定值时,吸声系数可以保持常数不变。

膨胀腔类超材料的传递损失

声学超材料及结构已被广泛研究,其超结构通常利用3D打印技术实现,当结构刚度较小或者面积较大时,由声固耦合所导致的声学效果与设计不符的情况广泛存在。该文针对含有膨胀腔类的超材料,研究了声固耦合对其声学性能的影响,采用有限元计算结合阻抗管实验的方法,得到其传递损失,分析了声固耦合现象对传递损失的影响。结果表明:薄壁膨胀腔结构的作用频率范围与只考虑声学理论计算的设计不符,声固耦合现象对传递损失产生显著影响;采用增加膨胀腔壁厚、减少膨胀腔内径或选择金属材料的方式,都可以使得声固耦合现象对传递损失的影响减小;仿真结果与实验结果基本吻合。对于膨胀腔类超材料,当刚度较小或者面积较大时,对其进行声固耦合分析是完全必要的。

带非线性弹簧的两自由度准零刚度隔振系统力传递率特性

基于多自由度系统中的反共振特性,分别在传统线性隔振系统的上、下两层引入非线性倾斜弹簧负刚度机构,构成两自由度准零刚度隔振器.通过静态特性分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数之间的关系,分析了力学参数及结构参数对系统刚度特性的影响.建立两自由度准零刚度隔振系统的非线性动力学方程,利用平均法求解,推导出力传递率表达式,结合数值分析方法,探讨系统在不同的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比及质量比情况下的力传递率特性,并与单自由度准零刚度隔振系统及线性斜弹簧两自由度准零刚度隔振系统进行对比研究.结果表明:当结构参数B(即:倾斜弹簧处于静平衡位置的长度与倾斜弹簧原长的比值)较小且倾斜弹簧为软化弹簧时,可在平衡位置附近获得较小的系统刚度及较大的低刚度区间;通过选择适当的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比与质量比,可减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能.

负刚度蜂窝单胞结构制备及压缩性能

基于短切碳纤维增强尼龙复合材料(MarkForged Onyx),采用熔融丝制造工艺(FFF)制备了负刚度蜂窝单胞结构。为分析其打印性能和压缩性能,进行负刚度蜂窝单胞结构试样压缩试验,试验分析了堆叠方式、填充图案及壁厚层数三种打印工艺参数对该结构打印性能和压缩性能的影响机制。结果表明:水平堆叠方式、六边形填充图案、一层壁厚打印工艺参数组合有效减少结构的打印时间、打印成本。水平堆叠方式结构的压缩性能优于侧立和正立方向;与四边形、六边形填充图案相比,三角形填充图案明显提高结构的吸能能力;二层的壁厚层数对结构抗压强度的提高最显著。在加载过程中,单胞结构呈现出显著的负刚度特性,能量吸收效率约达70%,力阈值约为185 N;循环试验后,仅存在6%的压缩变形量,实现了基于MarkForged Onyx短切碳纤维增强尼龙复合材料负刚度蜂窝芯结构的可恢复能量吸收。