屈曲声学超材料的带隙调控方法研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:arigadordor
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振动和噪声不仅制约现代工业设备的发展而且危害人的身心健康,同时低频噪声具有穿透力强、难衰减的特点,因此传统的隔声材料难以对其进行有效控制。声学超材料因为具有弹性波带隙特性,在减振降噪领域有广泛的应用前景。但声学超材料应用于低频减振往往存在结构质量过大或者带隙过窄的问题,而且其带隙范围难以调节。本文用理论和有限元仿真的方法对声学超材料中波传播的主动和被动调控进行了分析,对低频带隙调控方法研究有一定的指导作用。局域共振型声学超材料的带隙频率对应的波长远远大于其晶格尺寸,为小尺寸结构的低频带隙调控提供了可能。局域共振带隙的主要决定因素是共振单元的固有频率,因此结构屈曲可以作为带隙调控的一种方式。屈曲可以极大地改变振子的刚度,从而改变共振单元的固有频率,决定带隙的频率范围。结合局域共振原理,设计了嵌入梁结构的一维声学超材料;分别对单胞的振动模态、能带结构和频率响应进行分析,讨论了超材料带隙的生成机理和弹性波衰减特性;因为单胞的带隙频率对结构参数变化比较敏感,讨论了梁的几何参数(宽度,弹性模量和曲率半径等)对带隙的影响规律。进而提出一种一维声学超材料带隙的被动调控方式,通过施加梁内的预应变,发现梁的屈曲可以改变振子和基体之间的等效刚度比,从而实现了单胞带隙的大幅度调节。结果证明施加预应变可以有效调节单胞带隙频率30%,相对于改变参数的调节方法,施加预应变调节的范围更广。通过引入四周梁结构连接基体和振子,设计了二维主动调节声学超材料;分别讨论了单轴压缩和双轴压缩对二维超材料带隙的调控。结果表明:施加单轴压缩会缩小单胞带隙直至关闭,可以应用于声学开关提供带隙的打开和关闭功能;还发现施加单轴压缩会降低方向带隙的频率范围,有利于单方向弹性波的调控。施加双轴压缩可以极大的改变振子刚度,在保证带宽的前提下降低带隙频率53%,实现了超材料带隙的大幅度主动调节。最后验证了二维超材料在不同参数下(梁的数量和宽度)压缩效应的广泛适用性。研究发现,施加压缩的带隙调控方法简单、灵活且效果明显,在低频弹性波的主动调控研究中有一定的实用价值。
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