含螺旋孔的超材料夹层板的带隙特性研究

本文提出一种新型低频宽带的穿孔超材料夹层板,旨在有效抑制板间横向振动。该结构的单胞由上下层面板、螺旋板、圆柱振子和支撑部件等构成。其中,螺旋板上设计4个螺纹孔,圆柱振子通过螺栓固定于板中心,螺旋板通过两侧横板与支撑部分连接。采用COMSOL仿真软件对胞元进行有限元分析,获得了无限周期结构的能带和共振模态,并计算了有限周期结构的传输透射率。结果表明,该结构能够产生两个宽幅的低频振动带隙,带隙范围内的振动衰减明显。本文进一步揭示了带隙机理,优化了结构参数,实现了两带隙的低频耦合,给出了符合工程实际需求的带隙。     

复式BN结构固/气型声子晶体的带隙研究

将复式BN结构引入固/气型声子晶体,其基元包含两个截面半径不同的圆柱体,三角格子和石墨结构作为BN结构的特殊情况被考虑在其中.用平面波法研究了其带隙结构,发现改变两圆柱体的截面半径比及填充率,就可调节声子晶体的带隙结构和范围,从而实现有选择性的滤波效应.此外,三角晶格容易在高填充率下获得高频宽带隙,而普通BN结构及石墨结构在低填充率条件下可获得低频宽带隙.     

边界载荷对层级椭圆穿孔板超材料带隙的影响

为探索边界载荷对超材料带隙特性的影响,本文构建了一种层级椭圆穿孔板超材料,将载荷直接作用于结构的边界,采用有限元法研究了边界载荷导致结构变形所引起的带隙变化。建立了3个层级椭圆穿孔板有限元模型,将三维椭圆穿孔板简化为二维平面结构,以便于研究结构的面内带隙特性。分析了有无边界载荷作用时层级椭圆穿孔板的带隙特性、传输损耗和带隙边界对应的振型。结果表明,引入层级设计可降低带隙频率,施加边界载荷可打开更多完全带隙和方向带隙,从而更好地抑制弹性波传播,为穿孔板类超材料设计提供了一种新思路。     

太赫兹波在光子晶体波导中的带隙特性研究

为了得到太赫兹波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性,研究了填充比、介电常数比、晶格常数三个主要因素对二维三角晶格完全禁带的影响.利用MATLAB软件分别优化计算得到填充比、介电常数比、晶格常数最大完全禁带,以及对应结构参数之间的关系.带隙随着填充比的变化而变化,而对于相同晶格结构,介电常数比越大,完全禁带宽度越大,晶格常数不同,禁带宽度也不同.光子晶体态密度的分布验证了存在光子带隙的范围.研究结果为太赫兹波器件的开发提供了理论依据.     

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.     

填充比对三角晶格等离子体光子晶体色散关系的影响

采用有限单元法,分别对TE模式、TM模式下三角晶格等离子体光子晶体的色散关系进行了理论计算,分析了等离子体填充比对能带位置和禁带宽度的影响.结果 表明:TM模式下等离子体光子晶体在M-F、X-M两个方向上存在不完全带隙,随填充比的增加,带隙位置向高频移动,禁带宽度增大直至达到一稳定值.TE模式下等离子体光子晶体不仅存在禁带结构,还在低频处形成了表面等离子体波的平带结构.随填充比的增大,TE模式等离子体光子晶体由X-M单一方向的不完全带隙形成了完全带隙,带隙宽度随填充比的增大而增大.本文提供了一种可调谐等离子体光子晶体的有效方法,有望应用于微波、THz波的可调性控制.     

基于二维声子晶体的选频选向加权声波导

本文提出一种基于二维压电声子晶体的声表面波选频选向加权声波导,即在垂直的两个方向上具有不同的晶格常数.为分析其特性,以空气孔/128.YX铌酸锂声子晶体为例,采用有限元方法并结合纵向深度上位移场的分布特点提取出表面波模态,同时采用P矩阵模型和三维有限元方法分析了ΓX和ΓY方向上的传输系数,进一步提取出位移场的传播分布.结果具有很好一致性,同时显示不同晶格加权结构,在特定频段上实现一个方向带通而另一个方向带阻,即具有选频选向的声波导特性,证实了提出的选频选向加权声波导的可行性.     

不同参数声子晶体第一完全带隙影响因素研究

基于时域有限差分法研究了二维声子晶体的第一完全带隙,数值计算了不同基体和散射体参数下XY模式的带隙特性.结果表明随着散射体与基体密度比的增大,第一完全带隙增宽.同时研究了不同晶格结构参数和填充率参数对第一完全带隙的影响,三角晶格的填充率高于正方晶格,较宽的带隙范围.研究结论为声子晶体器件的设计提供理论依据.     

基于边界元法的非完好界面三角晶格声子晶体带隙计算

采用边界元法研究了具有非完好界面条件的二维三角晶格声子晶体的带隙特性.结合Bloch周期原理,针对二组元三角晶格固-固体系声子晶体推导了含非完好界面条件的边界元特征值方程.基于该方程,计算了含有不同截面散射体(圆形截面、椭圆截面、正方截面)的能带结构,讨论了晶格对称性对能带结构的影响;并且分析了圆形截面散射体填充比的变化对带隙位置及宽度的影响.通过与其它计算方法的结果比较,说明边界元法可以有效准确地计算具有不同界面条件和不同散射体形状的声子晶体的能带结构.而且,非完好界面条件的声子晶体可以在低频打开完全带隙,尤其圆形截面最为明显.     

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。     

开口圆环类声子晶体传播禁带特性研究

为衰减中低频振动噪声,本文设计了一种非严格对称的开口圆环类声子晶体结构,基于有限元法和弹性波理论分析了其禁带特性和各方向的振动衰减性能;结合系统的振动模态解释了带隙打开和关闭的原因,并分析了几何参数对带隙宽度的影响规律。结果表明:由于晶体的非严格对称,仅ΓX方向的传输损耗和禁带特性吻合,且衰减性能优于MΓ方向,禁带内平均衰减27.8 dB,同比提升了5.5 dB。禁带内几乎没有产生位移变形量,而通带因无法抑制弹性波传播导致变形量显著增大;芯体的水平和旋转运动是带隙起始、截止的明显标志。以钨为芯体,能获得起始频率和带宽均为500 Hz的低频带隙,增大芯体的材料密度、填充率和晶格尺寸有助于获得较低频率的完整带隙。     

超胞声子晶体板的轻量化设计与研究

由于局域共振型声子晶体板具有优秀的低频声学特性,相关的研究越来越丰富,但多为实验室环境下的研究,对其工程应用方面的轻量化研究存在不足.因此,本文以变电站低频噪声为应用背景,提出一种局域共振型声子晶体板轻量化设计方法.基于此方法,设计出一种针对变电站噪声频谱特性的轻量化超胞声子晶体板.研究发现,此声子晶体板在50 Hz和...     

基于有限元方法研究预应力条件下石英晶体的高频振动特性

利用有限元方法,计算AT切石英晶体受到沿不同方位角度施加的对径力后石英晶片的振动位移分布情况.该有限元分析结果能够直观的获取石英晶体厚度方向的剪切振动和弯曲振动的图形.通过对预应力模态计算结果分析表明石英晶体振动方向随着施加不同方向的方位角的改变而发生改变.该结果有助于更好研究石英晶体受力后的振动模态.     

双迷宫型通道Helmholtz周期结构的低频带隙机理及隔声特性

为了解决飞机舱室中的低频噪声问题,本文设计了一种双迷宫型通道的Helmholtz周期结构。迷宫型开口通道的设计能够大大增加Helmholtz腔开口通道的长度,有效降低低频带隙下限,双通道的设计能够增加声子晶体局域共振的区域,可以增加低频带隙数目。本文采用有限元法(FEM)得到了该结构在0~500 Hz频率范围内的能带结构及隔声特性,经过深入研究发现,该Helmholtz 周期结构在0~500 Hz范围内存在多个低频带隙,且在低频范围内表现出较好的隔声特性。为了揭示其带隙产生机理,本文通过声-电类比方法建立了该结构的等效电路模型,并通过有限元法和等效电路模型,对低频带隙影响因素进行了详细分析。结果表明,增加开口通道的长度能够降低带隙起始频率,较小的晶格常数有利于拓宽带隙宽度。本文的研究进一步探索了声子晶体结构设计对带隙的影响,为解决飞机舱室的低频降噪问题提供了新方法。     

石英晶体板非线性高频振动的拓展伽辽金法分析

针对考虑几何和材料非线性的石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动的方程组,利用扩展伽辽金法对该方程组进行转化和求解,分别获得了强烈耦合的厚度剪切振动模态和弯曲振动模态的频率响应关系,绘制了不同振幅比和不同驱动电压影响下的频率响应曲线图。数值计算结果表明可以选取石英晶片的最佳长厚比尺寸来避免两种模态的强烈耦合。驱动电压的变化将引起石英晶体谐振器厚度剪切振动频率的明显改变,必须将振动频率的漂移值控制在常用压电声波器件的允许值之内。扩展伽辽金法对石英晶体板非线性振动方程组的求解为非线性有限元分析和偏场效应分析奠定了基础。     

单面柱局域共振声子晶体低频带隙特性分析及结构改进研究

基于有限元法对单面柱局域共振声子晶体进行带隙特性分析,研究了结构参数对该类型声子晶体的影响。结果表明:随着散射体高度的增加,单面柱声子晶体的第一完全带隙的起始频率逐渐降低,带宽逐渐增大;随着基板厚度的增大,单面柱声子晶体的起始频率逐渐升高,截止频率先增大后减小。并且在经典单面柱声子晶体的基础上,组合了两种新型的三组元单面柱声子晶体结构:嵌入式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅰ)和粘接式单面柱声子晶体(以下简称结构Ⅱ)。通过对其带隙特性的分析得出:这两种新结构与经典的单面柱声子晶体相比,都具有更低频的带隙,这对于低频减振降噪是非常有利的。本文的结果将对实际的工程应用提供一定的理论指导。     

分形凹角蜂窝结构声子晶体振动带隙特性

凹角结构具有优良的减振降噪特性,可以有效衰减结构振动响应,蜂窝结构具有优良的力学特性并已经较为普遍地被应用到工程之中,因此凹角蜂窝的复合结构引起了学者们的关注。本文通过对内凹蜂窝结构分形设计,构建了一种新型声子晶体模型。基于有限元方法对分形凹角蜂窝结构进行分析,计算能带结构以及振动传输特性,分析结构的负泊松比特性以及结构分形对振动带隙的影响。通过改变壁厚和内凹角度等参数,以及在分形结构顶点处填充钢材,可以更好地对某些频段振动产生抑制。结果表明:分形结构仍具有负泊松比特性,分形结构在二阶结构产生的带隙更宽,壁厚和凹角角度的增加会导致结构振动带隙向高频区域转移,填充钢材会使带隙变宽。     

二维连接板式声子晶体低频带隙仿真研究

为了能够控制低频噪声,设计了一种二维连接板式声子晶体。运用有限元法计算了该结构的色散曲线及位移场。结果表明,所设计结构在29.37~354.07 Hz存在带隙。与文献模型相比,该结构的起始频率更低,带隙更宽,说明连接板结构声子晶体更容易获得低频带隙。通过位移场的振动模态分析,并结合质量-弹簧模型,解释了带隙产生的原因。在此基础上,讨论了连接板宽度和硅橡胶包覆层开孔半径大小对带隙的影响,随着连接板的宽度减小以及硅橡胶包覆层上孔的半径减小,该结构的带隙逐渐变宽。     

多振子声子晶体的低频特性研究

本文设计了一种由硅橡胶包覆层包裹4个钨振子的新型声子晶体结构,通过有限元法计算该结构的色散曲线、振动模态和传输损失谱。结果表明,该结构的带隙范围为18.85~225.28 Hz,与传输损失谱频率衰减范围相吻合,能够有效抑制20~200 Hz的弹性波在声子晶体中传播。通过分析色散曲线上点的振动模态,说明带隙产生的原因。本文讨论了声子晶体板的缺口角度和振子之间的纵向和横向间距对带隙的影响,结果表明:当缺口角度减小时,带隙下边界几乎保持不变,带隙上边界升高从而增加了带隙的宽度;振子之间横向或纵向间距增大时,带隙下边界和上边界均上升,带隙变宽,进而优化了声子晶体模型的带隙。同时声子晶体板的缺口设计能够节省材料,从而减轻结构的质量。