一种局域共振型声学超材料的半解析建模与带隙机制研究

基于声学黑洞(acoustic black hole, ABH)弧形梁体积小且模态频率丰富的特点,将声学黑洞弧形梁作为附加结构周期分布在直梁上,达到促进局域共振效应和拓宽低频带隙的作用,由此构建一种新的局域共振型声学超材料。针对局域共振型超材料,采用高斯展开法,建立其半解析理论分析模型,基于零空间法处理其内部连接以及周期边界条件,并通过有限元法验证半解析理论分析模型的准确性。分析和计算其能带结构,研究结构参数以及ABH效应对布拉格带隙以及局域共振带隙的影响机理。研究结果表明,该半解析理论模型能够对结构的带隙进行有效计算,附加弧形ABH的陷波机制能够促进结构的局域共振效应并对主梁进行有效减振,为声学黑洞声学超材料的应用提供了新的思路。     

多重声学超材料转子动力学及带隙特性

为探究利用多重声学超材料抑制转子系统振动的机理,理论研究多重超材料转子结构的动力学行为及带隙特性。建立多重超材料转子的振动微分方程;分别采用假设振型法和有限元法对模型进行离散和验证;基于无限超材料假设,推导出多重超材料转子带隙的表达式;利用谐波平衡法和特征值理论对振动方程进行求解,获得多重超材料转子稳态与瞬态动力学行为及带隙特性,并分析超材料参数对转子动力学行为及带隙特性的影响。结果表明,多重超材料转子结构形成以局域共振单元固有频率为近似中心频率的多个单独的、具有移频特性的带隙;超材料的阻尼降低结构共振区的幅值,并将单独的带隙连接到一起,扩大带隙范围。多重声学超材料可以实现转子系统稳态与瞬态振动抑制。     

局域共振型五模超构材料的低频声波调控方法

五模超构材料是一类具有固体结构与"流体"特性的人工微结构,由于较好的压缩波与剪切波的解耦合能力、 较低的填充率、丰富的晶格构型及可调参数较多等特点,在声波/弹性波隐身衣、声学波导、声学超构表面等声波调控领域具有潜在应用.由单质材料组成的五模超构材料可以被看作是布拉格散射型的声子晶体,其工作频率在高频波段,而目前针对低频...     

谐振放大压电声学超材料梁带隙特性研究

声学超材料具有亚波长带隙,可应用于结构振动与噪声控制。引入压电材料和谐振分流电路,可以利用电磁振荡和压电材料机电耦合特性在超材料内部形成可调谐局域共振带隙。传统压电声学超材料受到已有压电材料机电耦合系数的限制,带隙一般较窄,无法满足大柔性结构振动与噪声控制中低频宽带需求。因而,该文提出一种谐振放大压电声学超材料梁结构。将压电片划分为传感极和驱动极,传感极输出电压经过运算放大电路放大,然后与谐振电路相连,实现局域共振效果的增强,从而增大带隙宽度。采用有限元方法建立压电声学超材料梁带隙计算模型,分析了带隙位置和宽度随电路放大倍数的变化,研究了等效弹性模量与带隙的关系;利用商用有限元软件仿真分析了有限周期梁的振动传递特性,验证了带隙计算方法的正确性。研究结果表明,放大电路有效增强了电路的局域共振效果,随着放大倍数的增大,带隙频率降低,带隙宽度增大。     

直升机舱室声学超材料壁板的低频隔声性能分析

在直升机飞行过程中,旋翼、尾桨等噪声源在舱室内产生强烈的低频噪声,严重影响直升机的驾乘舒适性,长时间的噪声暴露会危及驾驶安全。直升机舱室常用的夹层壁板结构可有效隔绝中、高频噪声,但其低频隔声性能一般较弱。为有效降低直升机舱室内低频噪声,将局域共振型声学超材料与舱室夹层壁板结合,建立直升机舱室声学超材料壁板模型,采用有限元法分析平面波入射激励下声学超材料壁板的低频隔声性能,并探索局域振子质量、层间结构对隔声性能的影响规律。结果表明:相比敷设阻尼材料、布置动力吸振器等传统舱内降噪方法,声学超材料壁板能有效隔离低频噪声,形成380 Hz~620 Hz的宽低频带隙。增加局域振子质量可有效拓宽带隙宽度并增强带隙内声透射损失,增加纵向加强筋数目可增强结构整体刚度,使振动衰减。声学超材料内饰的引入可为解决直升机舱室低频噪声问题提供技术路线。     

两边支撑声学超材料板的低频宽带隔声性能研究

以电力变压器低频隔声为应用背景,提出了一种结构简单轻质的局域共振声学超材料板,它由在两边支撑框架上紧密粘贴高分子聚合物薄板制成,相比四边支撑超材料板,其具有更加优越的低频隔声能力。在声波垂直入射条件下,采用有限元仿真对其隔声特性进行研究,结果表明在248 Hz处出现了一个明显的隔声峰,隔声量达到了31 dB。为拓宽低频隔声频带,在超材料板上布置质量块,仿真结果表明在152~560 Hz范围内出现了三个密集的隔声峰,最高隔声量达26 dB,从而一定程度上实现宽频隔声效果;同时在120 Hz处出现了一个隔声量为18 dB的隔声峰。最后搭建了基于小型箱体的隔声实验平台,可以发现实验测试结果与仿真结果具有较好的一致性,从而验证了轻质声学超材料板良好的低频宽带隔声性能,说明了两边支撑声学超材料板具有广阔的工程化应用前景。     

一种新型复合局域共振型声子晶体带隙特性

设计了一种新型复合局域共振型声子晶体,通过建立弹簧-质量块等效模型用于计算带隙的上下边界频率,同时结合有限元方法分析了该结构共振带隙的产生机理,根据带隙起止点频率处的位移模态研究了声子晶体的带隙特性。研究结果表明,该声子晶体结构在频率2 200 Hz附近产生三条完整带隙,其中一条是带宽达406.17 Hz的宽带隙。对于有限周期结构的声子晶体进行了传输特性仿真和隔声实验测试,在相同的频段内弹性波传播受到了阻碍。最后,对影响声子晶体带隙打开的几种因素进行分析,讨论了带隙上下边界调控机制。研究结果为声子晶体获得较宽的低频带隙提供了一种新的设计思路和方法。     

新型声学功能材料——声子晶体

声子晶体是近10年来提出的新概念，新声学功能材料，其在弹性波范围内的带隙结构的研究具有极大的理论和应用价值，声子晶体的研究将会对固体物理学，材料科学，声学等产生深刻的影响，并为我们进行声波控制和振动控制提供全新的思路，本文主要对声子晶体的概念和基本特征，研究发展以及声子晶体的应用前景进行了重点论述。     

水下声学超材料研究

声学超材料在空气中应用的研究已经很多,通过对其声学负参数的研究可以实现负折射、 声隐身、 波束控制以及超分辨成像等功能.声学超材料在空气中的良好应用也让更多的研究者们聚焦水下声学超材料(简称水声超材料)声聚焦、声透射等的研究,其在水下的研究涉及到流固耦合以及模式转换的影响,会更加复杂.水下研究的主要难题有尺度大、低频性...     

“工”字型径向弹性超材料零频起始带隙特性研究

为了得到零频起始带隙,提出"工"字型径向弹性超材料,并研究了其不同约束状态下弹性波的传播特性。通过对色散关系,频响函数和本征模位移场计算研究,发现在双面约束状态下可产生0~16 849 Hz的零频起始宽频带隙,主要由约束作用引起的模态转变产生。进一步,通过研究有限周期结构的方向振动位移场,发现零频起始带隙产生的机制为局域共振机制。最后,分析了结构参数对零频带隙位置及带宽的影响。研究结论可以应用于超低频减振等工程领域。     

一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料

为有效控制低频宽带噪声,设计了一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料。利用COMSOL软件对其透射特性进行详细分析,结果表明:不带膜的原本的Helmholtz腔结构其透射系数虽在低频范围内可以得到峰值,但其结构尺寸较大,且频带很窄,而文中设计的声学超材料结构的透射系数在低频范围可得到多个峰值,在相同结构尺寸下,与原本的Helmholtz腔结构相比,其固有频率向低频范围内偏移,因而提高了结构的低频隔声效果,拓宽了结构的隔声频率带宽。在此基础上进一步研究了声学超材料结构几何参数对透射系数的影响,优化了声学超材料的结构几何参数。     

基于磁流变薄膜的可调谐主动声学超材料

为了实现声学超材料等效参数的非接触式主动控制,基于磁流变薄膜设计了一种磁固耦合的主动声学超材料,该结构由铝质环形框架和附加质量块的磁流变薄膜组成。运用COMSOL软件对其声学特性和隔声性能进行了详细分析,结果表明:改变外加磁场强度能够调节所设计的声学超材料的固有频率,与被动声学超材料相比,实现了非接触主动控制声学超材料系统的隔声峰值频率,从而拓宽了声学超材料的隔声频率范围;在此基础上进一步研究了磁流变薄膜材料参数、薄膜预应力和附加质量对隔声性能的影响。     

基于声阵列的飞机地面声爆测试技术

开展超声速飞机飞行条件下的地面声爆测试是声爆问题研究的重要技术手段。针对大范围、高精度地面声爆的测试问题,提出了采用声阵列进行地面声爆测试的飞行试验技术方案,并开展了试验验证。根据声爆在真实大气中的传播特性,以声阵列为核心设计地面声爆测试方案和分布式测试系统,提出基于航迹切入程序进行飞行动作设计的方法,形成声爆-飞行状态-飞行航迹-地面至空中气象条件的综合方案。采用该飞行试验技术方案对某型歼击机的地面声爆进行了实测,结果表明该方案合理可行,能可靠地进行不同飞行条件下的地面大范围声爆测量及其相关参数测量,基于系综平均法设计的声阵列可提升稳定飞行状态的声爆测量精度,三种声爆测量传声器布置方案能够用于评估地面对声爆传播的影响。     

单边周期环形谐振径向声子晶体结构

对于大量应用于工业设备中的盘类结构,其往往作为设备中低频振动的载体或者传播体,基于局域共振机制设计并研究了一种对盘类结构振动可以产生有效抑制的单边周期环形谐振径向声子晶体结构.通过计算其结构的能带图,得到起始频率低于0.016并且宽度为0.064的低频带隙.进一步分析其能带图中特殊点本征位移场探讨了带隙的形成机制.同时...     

Optical resonance near the edge of a photonic band gap (PBG): turning the effects of a PBG on/off using a resonant driving field

We studied the effects of a coherent monochromatic resonant laser field driving the transition of a two-level atom embedded in a photonic band gap (PBG) material on the emission dynamics of the atom. When the transition frequency of the atom lies outside a PBG and sufficiently far from the band edge that the emission dynamics of the atom is not normally affected by the gap, the dynamic stark splitting of the upper level of the atom into two dressed states by a sufficiently strong resonant driving field can bring the lower dressed state close enough to the band edge or even inside the gap so as to be affected by the gap, providing a switchable means of extending the novel effects of atom–photon interaction near the edge of a PBG for atomic transitions outside the gap and far from the band edge. The net effect is as if a sufficiently strong resonant field driving a transition of an atom embedded in a PBG actively shifts the PBG close enough to the transition so that the gap affects the emission dynamics associated with the transition.     

二维旋转直柱光子晶体的频率带隙结构分析

设计了一种二维方形旋转正四边形直柱光子晶体,利用平面波展开方法计算了其光子频率带结构,发现在低频和高频区域,该类光子晶体的光子频率禁带明显增大.计算了空气中Al材料的旋转四边形直柱光子晶体的带结构和态密度,当填充比等于0.5时存在绝对带隙,旋转角度为45°时绝对带隙最大,旋转角度为0时,光子频率禁带位于高频区域.利用FDTD方法检验了计算结果,并分析了旋转角度为45°时,正四边形直柱光子晶体的波导特性以及TM模的电场分布.     

Full photonic band gap properties of plasma photonic crystals with triangular structure

In this study, we analyse full photonic band gap (PBG) properties of two-dimensional plasma photonic crystals (PCs) with triangular lattice, composed of anisotropic tellurium rods with different geometrical shapes immersed in plasma background. Using the finite-difference time-domain method, we discuss the maximization of the full PBG width as a function of tellurium rods parameters with different shapes and orientations. The numerical results show that our proposed structures represent significant large full PBGs in comparison to previously studied plasma PCs.     

二维局域共振型声子晶体微腔结构的带隙特性研究

利用有限元法研究了含十字型所形成的二维局域共振型微腔声子晶体结构的声波带隙特性。同时计算了最低带隙带边对应模态的位移分布和结构的传输谱。研究结果表明,含微腔结构的声子晶体在较低频率域内出现了完全带隙且带隙边缘的起始频率低,然而对于无微腔结构的类四边形声子晶体板中,则无第二带隙出现,并且第一带隙频率宽度较窄。微腔结构是产生局域共振以及出现低频带隙的最主要的原因。该研究为声子晶体在低频减振和噪音控制的工程应用方面提供了有益的支持。