一维声子晶体板的带隙优化研究
发布时间：2021-07-22 19:25
机械振动与噪声在工业生产和人们的日常生活当中广泛存在,减弱有害振动与噪声的传播是工程领域中亟待解决的重要课题。兰姆波型声学方面的材料可以产生弹性波禁带,具有良好的声吸收、声整流等特性,这些性质引起了国内外科研人员的广泛兴趣。声子晶体板是一种具有弹性波禁带的周期性结构复合材料,基于其所具有的带隙特性,人工设计特定频率的声学带隙在抑制有害振动与噪声方面具有潜在的工程实际应用价值。因此,对声子晶体板进行带隙优化,设计出更低频带隙,增大带隙的频率范围是研究声子晶体板的带隙的一个重要内容。本文在声子晶体板的现有基本理论以及研究方法的基础上,以一维声子晶体板为研究对象,研究一维声子晶体板的禁带特性,运用有限元法得到声子晶体板的兰姆波能带结构,并利用遗传算法对声子晶体板进行带隙优化,对拓扑优化得到新的原胞的拓扑构型的特点及带隙特性进行分析。主要研究内容如下:（1）建立一维固-固声子晶体板模型。运用有限元法和平面波展开法两种方法计算能带结构并进行对比。研究三种不同材料组合的一维声子晶体板,对能带结构及带隙边界的模态进行分析,研究材料参数对一维声子晶体板带隙的影响。（2）建立一维钨-铝声子晶体板模型。研...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种维度声子晶体示意图
晶体薄板类结构中的传播，并从理论的角度上严格推导出了这个结构中存在着低阶的兰姆波禁带[24]。他们发现兰姆波的带隙结构和体波的带隙结构存在相当大的区别，并提出了一个影响兰姆波的带隙结构的重要参数，即晶格常数与薄板的厚度之比。这一重要研究成果促使兰姆波在声子晶体的薄板类结构中的传播吸引到更多科研学者的眼球。2007 年，Hou 等人首次利用超晶格平面波展开法对声子晶体板中兰姆波的带隙结构图[25]进行了计算，如图 1.3 所示。其根本思想是利用堆叠的二维声了晶体板的最小单元与真空层形成一个三维声子晶体板的超原胞。由此，就能够在声子晶体板的有限厚度的方向施加周期性边界条件但不必施加自由边界条件。与考虑自由边界的情况相比，这种超原胞法的优势在于让数值计算变得更加快捷方便。通过这种方法，他们在研究一维层状结构中兰姆波带隙的产生机理和声子晶体板结构的关系时，发现兰姆波的对称模式与反对称模式在对称声子晶体板中相互独立，通过使用一种特殊的方法可以实现分离两种模式的目的。而对于非对称的声子晶体板而言，由于存在着对称兰姆波模式与反对称兰姆波模式之间的相互耦合，从而打开形成新的带隙。
在众多科研人员的共同努力之下，研究出了各种类型的声子晶用来控制声波在固体、液体以及气体中的传播。弹性波通过声子晶体的时，处于带隙频率范围以内的弹性波在介质中的传播会被抑制。声子晶的这一特性可以应用于汽车或其它工业设备的减振降噪，尤其是在低频有着巨大的潜在应用价值。众所周知，电二极管的产生对促进社会现代化发展发挥了重大作用，如用声子晶体设计出一种类似于电二极管的声学整流器件，将会给整个世所未有的改变，其应用价值不言而喻。2010 年，Liang 等人利用医学的微气泡所形成的非线性材料，同时可以使用水与玻璃互相叠加而形成晶体，第一次制备出了声二极管的实验系统[36]，实验示意图如图 1.4 波从装置的左端入射时，由于声波频率位于声子晶体禁带频率范围以内被完全反射而无法通过实验装置的声子晶体的结构；当声波从装置的，会产生一种倍频效应，频率发生改变，使频率不在声子晶体禁带范围声波能够顺利地通过声子晶体的结构，这样产生了声波的单向导通效应
【参考文献】：
期刊论文
[1]一维准周期声子晶体板中兰姆波的禁带特性分析[J]. 陈阿丽,郭凤丹,汪越胜. 功能材料. 2015(19)
[2]最优二维固/固声子晶体带隙特性研究[J]. 刘宗发,吴斌,何存富. 固体力学学报. 2015(04)
[3]仿真软件在超材料研究中的最新应用[J]. 闫俊伢. 电子元件与材料. 2014(09)
[4]汽车传动系相关NVH问题的动力学研究论述[J]. 吴光强,栾文博. 机械工程学报. 2013(24)
[5]用于主动减振的振动信号实时高精度检测[J]. 李嘉全,程志峰. 电子测量与仪器学报. 2013(12)
[6]声子晶体梁在燃料电池车副车架减振中的应用研究[J]. 左曙光,谭钦文,孙庆,文岐华,马琮淦. 振动与冲击. 2013(18)
[7]声子晶体在车身顶棚减振中的应用研究[J]. 左曙光,魏欢,何宇漾,文歧华. 材料导报. 2011(24)
[8]一维声子晶体在防止低频噪声中的应用[J]. 徐超,胡丽芬,董兴成,刘应开. 压电与声光. 2010(05)
[9]声子晶体结构在汽车制动降噪中的理论研究及应用[J]. 沈礼,吴九汇,陈花玲. 应用力学学报. 2010(02)
[10]遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用[J]. 钟会林,吴福根,姚立宁. 物理学报. 2006(01)
博士论文
[1]声子晶体板的带隙调控及减振性能的研究[D]. 张洪波.湖南大学 2016
[2]声子晶体谐振器及其声能采集器研究[D]. 杨爱超.重庆大学 2015
[3]声子晶体局域共振带隙机理及减振特性研究[D]. 王刚.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]声子晶体减振性能研究与优化设计[D]. 黄佳.大连理工大学 2014
本文编号：3297750
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种维度声子晶体示意图
晶体薄板类结构中的传播，并从理论的角度上严格推导出了这个结构中存在着低阶的兰姆波禁带[24]。他们发现兰姆波的带隙结构和体波的带隙结构存在相当大的区别，并提出了一个影响兰姆波的带隙结构的重要参数，即晶格常数与薄板的厚度之比。这一重要研究成果促使兰姆波在声子晶体的薄板类结构中的传播吸引到更多科研学者的眼球。2007 年，Hou 等人首次利用超晶格平面波展开法对声子晶体板中兰姆波的带隙结构图[25]进行了计算，如图 1.3 所示。其根本思想是利用堆叠的二维声了晶体板的最小单元与真空层形成一个三维声子晶体板的超原胞。由此，就能够在声子晶体板的有限厚度的方向施加周期性边界条件但不必施加自由边界条件。与考虑自由边界的情况相比，这种超原胞法的优势在于让数值计算变得更加快捷方便。通过这种方法，他们在研究一维层状结构中兰姆波带隙的产生机理和声子晶体板结构的关系时，发现兰姆波的对称模式与反对称模式在对称声子晶体板中相互独立，通过使用一种特殊的方法可以实现分离两种模式的目的。而对于非对称的声子晶体板而言，由于存在着对称兰姆波模式与反对称兰姆波模式之间的相互耦合，从而打开形成新的带隙。
在众多科研人员的共同努力之下，研究出了各种类型的声子晶用来控制声波在固体、液体以及气体中的传播。弹性波通过声子晶体的时，处于带隙频率范围以内的弹性波在介质中的传播会被抑制。声子晶的这一特性可以应用于汽车或其它工业设备的减振降噪，尤其是在低频有着巨大的潜在应用价值。众所周知，电二极管的产生对促进社会现代化发展发挥了重大作用，如用声子晶体设计出一种类似于电二极管的声学整流器件，将会给整个世所未有的改变，其应用价值不言而喻。2010 年，Liang 等人利用医学的微气泡所形成的非线性材料，同时可以使用水与玻璃互相叠加而形成晶体，第一次制备出了声二极管的实验系统[36]，实验示意图如图 1.4 波从装置的左端入射时，由于声波频率位于声子晶体禁带频率范围以内被完全反射而无法通过实验装置的声子晶体的结构；当声波从装置的，会产生一种倍频效应，频率发生改变，使频率不在声子晶体禁带范围声波能够顺利地通过声子晶体的结构，这样产生了声波的单向导通效应
【参考文献】：
期刊论文
[1]一维准周期声子晶体板中兰姆波的禁带特性分析[J]. 陈阿丽,郭凤丹,汪越胜. 功能材料. 2015(19)
[2]最优二维固/固声子晶体带隙特性研究[J]. 刘宗发,吴斌,何存富. 固体力学学报. 2015(04)
[3]仿真软件在超材料研究中的最新应用[J]. 闫俊伢. 电子元件与材料. 2014(09)
[4]汽车传动系相关NVH问题的动力学研究论述[J]. 吴光强,栾文博. 机械工程学报. 2013(24)
[5]用于主动减振的振动信号实时高精度检测[J]. 李嘉全,程志峰. 电子测量与仪器学报. 2013(12)
[6]声子晶体梁在燃料电池车副车架减振中的应用研究[J]. 左曙光,谭钦文,孙庆,文岐华,马琮淦. 振动与冲击. 2013(18)
[7]声子晶体在车身顶棚减振中的应用研究[J]. 左曙光,魏欢,何宇漾,文歧华. 材料导报. 2011(24)
[8]一维声子晶体在防止低频噪声中的应用[J]. 徐超,胡丽芬,董兴成,刘应开. 压电与声光. 2010(05)
[9]声子晶体结构在汽车制动降噪中的理论研究及应用[J]. 沈礼,吴九汇,陈花玲. 应用力学学报. 2010(02)
[10]遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用[J]. 钟会林,吴福根,姚立宁. 物理学报. 2006(01)
博士论文
[1]声子晶体板的带隙调控及减振性能的研究[D]. 张洪波.湖南大学 2016
[2]声子晶体谐振器及其声能采集器研究[D]. 杨爱超.重庆大学 2015
[3]声子晶体局域共振带隙机理及减振特性研究[D]. 王刚.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]声子晶体减振性能研究与优化设计[D]. 黄佳.大连理工大学 2014
本文编号：3297750
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3297750.html
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