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新型Helmholtz型声子晶体的低频带隙及隔声特性

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物理学报 2022年第11期71卷 203-211页

作者：韩东海张广军赵静波姚宏空军工程大学基础部西安710051

为了解决军用飞机舱室内产生的低频噪声问题,构建了一种新型的Helmholtz型二维声子晶体,该结构采用迷宫型开口通道,并在结构加入了刚性振子.研究发现,该结构在晶格常数为62 mm条件下,将第一低频带隙的下限降至15 Hz左右,且在100 Hz频率... 详细信息

为了解决军用飞机舱室内产生的低频噪声问题,构建了一种新型的Helmholtz型二维声子晶体,该结构采用迷宫型开口通道,并在结构加入了刚性振子.研究发现,该结构在晶格常数为62 mm条件下,将第一低频带隙的下限降至15 Hz左右,且在100 Hz频率左右形成一条宽度为93 Hz的带隙宽带,表现出较好的低频隔声特性.首先,通过振型及声压场分析了其带隙成因,采用“力-声类比”的方法建立了该结构的等效模型,最后利用有限元法和传递矩阵法对第一低频的带隙范围进行了计算,两种方法所得结果基本相符;其次,通过有限元法探究了晶格常数、空气通道长度及振子材料等结构参数对低频带隙的影响.研究表明,增加开口通道长度和晶格常数都会降低第一带隙下限,增加振子材料密度能够有效降低第二带隙的上下限,进一步揭示了该结构带隙形成的实质,验证了等效模型的准确性.该研究为低频噪声控制方面提供了一定的理论支持,为低频声子晶体的设计提供了新的思路.

关键词： Helmholtz共振腔声子晶体低频带隙隔声降噪

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二维连接板式声子晶体低频带隙仿真研究

人工晶体学报 2022年第2期51卷 242-247页

作者：李天杰顾云风伍根生南京林业大学机械电子工程学院南京210037

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... 详细信息

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。

关键词：声子晶体局域共振低频带隙减振降噪二维连接板式质量-弹簧模型

二维局域共振型声子晶体低频带隙特性及调控机理研究

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二维局域共振型声子晶体低频带隙特性及调控机理研究

作者：李天杰南京林业大学

学位级别：硕士

声子晶体是由弹性常数和密度呈周期性分布的材料组成的。这种周期性结构能够产生弹性波带隙,使得某些频率的弹性波的传播被抑制。由于这一特性的重大应用价值,这种结构广受关注和研究。最先提出带隙形成机理的是布拉格散射机理,已有研... 详细信息

声子晶体是由弹性常数和密度呈周期性分布的材料组成的。这种周期性结构能够产生弹性波带隙,使得某些频率的弹性波的传播被抑制。由于这一特性的重大应用价值,这种结构广受关注和研究。最先提出带隙形成机理的是布拉格散射机理,已有研究表明布拉格散射型的声子晶体在较小尺寸下难以获得较低的带隙。为了克服这一不足之处,研究人员通过探索获得局域共振型声子晶体,可以实现“小尺寸控制大波长”。为了更好地描述局域共振型声子晶体第一带隙的下边界和上边界的振动模态,等效质量弹簧系统及对应的公式被提出,从中可知减小等效刚度和增加等效质量能够获得低频带隙。对于局域共振型声子晶体,本文做了如下研究:首先,本文考虑通过减小等效质量弹簧系统中的等效刚度来获得低频带隙,设计了一种理想的二维连接板式声子晶体。该结构是在铅圆柱状散射体外包裹一层环状硅橡胶,在硅橡胶上开有8个均匀分布的通孔,并将散射体和硅橡胶嵌入四个环氧树脂连接板中。通过有限元法计算出了该结构的色散曲线及相应的振动模态,结果表明该结构在29.37～354.07Hz存在带隙。与不具备连接板的声子晶体结构相比拥有更低的起始频率和更宽的带隙,说明连接板结构更容易获得低频带隙。通过分析位移场的振动模态,并结合质量-弹簧模型解释了带隙形成的原因。在此基础上讨论了铅圆柱状散射体半径,硅橡胶包覆层半径,硅橡胶通孔半径以及连接板宽度对带隙的影响。其次,本文考虑通过增加等效质量弹簧系统中的等效质量来获得低频带隙,设计了一种由硅橡胶包裹4个钨振子的新型多振子声子晶体结构。通过有限元法计算该结构的色散曲线,振动模态以及传输损失谱,结果表明该结构的带隙范围是18.85～225.28Hz,与传输损失谱的频率衰减范围相吻合。与传统的多振子声子晶体结构分析相比,主要讨论了振子间的纵向和横向间距以及声子晶体板的缺口角度对带隙的影响。研究表明,当振子间的横向或纵向距离增大时,带隙的下边界和上边界均上升,且上边界上升幅度较下边界大,因此使得带隙宽度增加,进而优化了声子晶体结构的带隙;当声子晶体板的缺口角度减小时,带隙的下边界几乎保持不变,而带隙的上边界升高使得带隙的宽度增加。此外声子晶体板的缺口设计还能够节省材料,减轻结构的重量。最后,将压电材料引入至声子晶体中,利用压电材料中的声场和电磁场的耦合效应实现对带隙的主动调控。本文以多振子声子晶体板为基础,将其散射体和包覆层材料分别改为压电材料PIN-PMN-PT和有机玻璃从而构成压电声子晶体板。通过在压电声子晶体板上施加短路电边界条件和开路电边界条件,讨论电边界条件以及压电材料的压电常数对带隙的影响。以开路电边界条件下的压电声子晶体板为基础,在x和y方向上构造1×5的超晶胞,随后将超晶胞中间位置散射体改为短路边界条件引入点缺陷,进一步讨论不同点缺陷位置的对带隙的影响。

关键词：声子晶体局域共振低频带隙二维连接板式多振子结构

双开口Helmholtz局域共振周期结构低频带隙特性研究

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物理学报 2017年第6期66卷 132-138页

作者：姜久龙姚宏杜军赵静波邓涛空军工程大学航空航天工程学院西安710038 空军工程大学理学院西安710051 西安飞行学院西安710306

设计了一种双开口Helmholtz周期结构,该周期结构单元采用双开口内外腔设计,基于多腔耦合局域共振机理,可大大增加局域共振区域,增加能得到较低的低频带隙特性.通过设计调节内腔弧长,可以使带隙移动,达到特定低频频段的隔声效果.在分析... 详细信息

设计了一种双开口Helmholtz周期结构,该周期结构单元采用双开口内外腔设计,基于多腔耦合局域共振机理,可大大增加局域共振区域,增加能得到较低的低频带隙特性.通过设计调节内腔弧长,可以使带隙移动,达到特定低频频段的隔声效果.在分析低频带隙形成机理和影响因素时,采用声电类比原理建立带隙起始频率和截止频率的计算数学模型并与有限元方法进行对比分析.研究表明:该结构具有良好的低频带隙特性,其最低带隙段为86.9—138.2 Hz.外径一定的条件下,低频带隙受内腔弧长、内外腔间隔以及周期单元结构间隔影响,内腔弧长越长,低频带隙越低;内外腔间距离越大,从而内腔体积变小,带隙向高频移动,其低频效果变差;减小结构间距对低频带隙起始频率无影响,但可以大大增加低频带隙截止频率,从而增加带隙宽度.该研究结论可以为低频降噪领域提供一定的实践和理论支持.

关键词： Helmholtz共振周期结构低频带隙声电类比

薄膜与Helmholtz腔耦合结构低频带隙

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物理学报 2019年第21期68卷 120-129页

作者：陈鑫姚宏赵静波张帅贺子厚蒋娟娜空军工程大学基础部

设计了一种含薄膜壁的Helmholtz型声子晶体,该结构利用了空气和薄膜的耦合振动,一方面将刚性壁转变为柔性壁,降低了一阶振动时的等效刚度,使第一带隙下限分别低于同参数下的普通Helmholtz型声子晶体和薄膜,另一方面基于局域共振原理,由... 详细信息

设计了一种含薄膜壁的Helmholtz型声子晶体,该结构利用了空气和薄膜的耦合振动,一方面将刚性壁转变为柔性壁,降低了一阶振动时的等效刚度,使第一带隙下限分别低于同参数下的普通Helmholtz型声子晶体和薄膜,另一方面基于局域共振原理,由于薄膜的出现和腔口空气通道长度的增加,使得结构在低频范围内存在多个振动模态,从而将原有一个带隙扩展为多个带隙.将该结构带隙上下限分别等效为环形系统和串联系统,用传递矩阵法和有限元法两种方法计算了其低频带隙范围,两种方法结果吻合良好.通过调整参数对带隙调控规律进行了进一步分析,结果显示,在低频范围内,既可以通过改变与腔口空气通道或薄膜相关的参数,在保证其中某些带隙变化不大的情况下,单独调整其他带隙;也可以通过调整内外腔体积,对所有带隙进行调控.

关键词： Helmholtz共振腔低频带隙噪声控制声子晶体

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三维局域共振型声子晶体低频带隙特性研究

材料导报 2018年第2期32卷 322-326页

作者：高南沙侯宏西北工业大学航海学院西安710072

提出了一种三维局域共振型声子晶体结构,通过有限元仿真分析了该结构的低频带隙特性和多重振动耦合机理,继而研究了几何参数的影响因素。结果表明,该结构可以打开50 Hz以下的超低频带隙,其中基体材料和圆柱谐振子的振动耦合是带隙打开... 详细信息

提出了一种三维局域共振型声子晶体结构,通过有限元仿真分析了该结构的低频带隙特性和多重振动耦合机理,继而研究了几何参数的影响因素。结果表明,该结构可以打开50 Hz以下的超低频带隙,其中基体材料和圆柱谐振子的振动耦合是带隙打开的关键,圆柱谐振子的下表面的振动位移越大,越容易打开带隙。中间层斜条部分密度对于带隙的下边界几乎没有影响,但是可使带隙的上边界往高频移动,带隙宽度变大。导致带隙变化的关键因素是中间层S2部分的长度和S1部分的角度。本工作丰富了三维声子晶体低频结构设计和等效模型研究,在工程实践中具有一定的指导价值。

关键词：声子晶体低频带隙有限元分析多重振动耦合

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铝基体三维四元声子晶体的低频带隙研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2013年第7期41卷 129-132页

作者：陈源林圣镇黄涛周明刚湖北工业大学湖北省汽车结构振动与噪声控制工程技术研究中心湖北武汉430068

采用三维集中质量法计算简单立方声子晶体结构,通过ANSYS软件进行建模及网格划分,并导入Matlab软件进行数值计算,得到以铝为基体的三维四元声子晶体能带图.通过单一改变各组元的密度,考察对应变化对第一带隙的影响.结果表明:此结构在低... 详细信息

采用三维集中质量法计算简单立方声子晶体结构,通过ANSYS软件进行建模及网格划分,并导入Matlab软件进行数值计算,得到以铝为基体的三维四元声子晶体能带图.通过单一改变各组元的密度,考察对应变化对第一带隙的影响.结果表明:此结构在低频率段内存在一定宽度的带隙,且材料密度改变对第一带隙的带隙位置和宽度产生较大影响;改变某些材料密度,可以设计在一定频率段带隙的减振体结构,从而抑制带隙频率范围内的有害振动,达到减振效果.

关键词：晶体结构铝基体三维声子晶体四元低频带隙

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嵌套型C型管声子晶体低频带隙特性研究

人工晶体学报 2018年第3期47卷 463-469页

作者：张亮郭辉王岩松李雅榕刘宁宁上海工程技术大学汽车工程学院上海201620

提出了一种由多个C型管嵌套组合而成的二维亥姆霍兹共鸣器型声子晶体结构模型,使用有限元法对所提出结构的能带结构及其产生机理进行了分析。与传统C型管嵌套组合而成的声子晶体结构相比,该结构具有更加优越的低频特性,即可以在50 Hz以... 详细信息

提出了一种由多个C型管嵌套组合而成的二维亥姆霍兹共鸣器型声子晶体结构模型,使用有限元法对所提出结构的能带结构及其产生机理进行了分析。与传统C型管嵌套组合而成的声子晶体结构相比,该结构具有更加优越的低频特性,即可以在50 Hz以下的低频范围内打开带隙。将结构等效为"电感-电容"的等效电路模型,并推导出了带隙估算公式。结果表明,采用有限元法计算得到的带隙与数值估算结果具有较好的一致性。同时研究了主要结构参数对带隙的影响,数值结果表明,通过改变嵌套管数以及填充率等结构参数,能够实现在更宽的频率范围内进行带隙调制。

关键词：声子晶体局域共振低频带隙亥姆霍兹共鸣器

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新型多重开孔式声子晶体低频带隙研究

压电与声光 2018年第5期40卷 709-714,719页

作者：蒋娟娜姚宏赵静波张帅贺子厚空军工程大学基础部陕西西安710051

设计了一种新型多重开孔式局域共振声子晶体结构,结合有限元法计算并分析所设计结构的带隙生成机理和振动特性,并在此基础上进一步分析了带隙影响因素。结果表明,与传统的全连接结构相比,该单元结构质量较轻,且带隙更宽,可在40.8~256.7H... 详细信息

设计了一种新型多重开孔式局域共振声子晶体结构,结合有限元法计算并分析所设计结构的带隙生成机理和振动特性,并在此基础上进一步分析了带隙影响因素。结果表明,与传统的全连接结构相比,该单元结构质量较轻,且带隙更宽,可在40.8~256.7Hz范围产生带隙,带隙宽度达215.9Hz,占整个低频范围的92.95%。通过进一步优化结构参数,第一带隙起始频率可低至36.1Hz,带宽为174.1Hz。该结构保证较轻质量的同时可实现低频内的较宽带隙,对飞机、潜艇等舱室的低频降噪具有潜在应用前景。

关键词：局域共振声子晶体低频带隙减振降噪隔声特性