二维声学黑洞平板结构的能量聚集及俘获技术研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinzhan2090
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声学黑洞(Acoustic black hole,ABH)效应是通过将波传播方向上的结构厚度进行定制裁剪,使其厚度轮廓曲线或曲面满足特定的幂律规律,从而实现对弹性波的高效被动控制。矩形平板结构中嵌入二维声学黑洞凹陷可以减小进入黑洞区域弹性波的传播速度,将其聚集在特定的位置,理想情况下弹性波全部被黑洞区域所捕获,不会发生发射现象。这种通过改变结构厚度进而影响结构阻抗来实现对弹性波的被动控制技术,具有宽频高效、易于实现等特点,在振动噪声控制和能量俘获等领域有着广阔的应用前景,因此具有重要的理论研究和应用价值。实际应用中通常采用同样具有声学黑洞效应的非理想二维声学黑洞结构,这种结构在黑洞中心区域通常会开孔或保留一个圆形平台。本文以黑洞区域中心为圆形平台的非理想二维声学黑洞矩形平板结构为研究对象,通过有限元数值仿真等方式,对结构中弯曲波的传播、能量聚集特性以及振动能量俘获性能等方面进行研究,具体的研究内容如下:(1)建立了非理想二维声学黑洞矩形平板结构的参数化模型,结合几何声学近似理论,分析了随着决定其几何构型的一些重要参数发生改变时,结构中黑洞区域厚度轮廓曲面的变化趋势,以及对该区域折射率梯度的影响。(2)在ABAQUS软件中建立了单ABH矩形平板结构数值仿真模型,研究了在瞬态激励条件下,时域中弯曲波的传播过程以及结构中的能量分布。研究了几何参数,如中心圆台半径、圆台厚度和幂律指数变化时不同几何构型结构中的能量聚集特性,以及嵌有多个声学黑洞凹陷的矩形平板结构中的能量分布。(3)将单ABH矩形平板结构与压电片微阵列相结合,综合考虑声学黑洞区域的波长压缩特性和压电效应,在COMSOL软件中设计并建立了用于振动能量俘获的声学黑洞压电片耦合平板结构的机电耦合模型。研究了在宽频激励下该机电耦合模型的时域能量俘获性能,并在频域中分析了模型的稳态能量俘获性能,证实了声学黑洞结构的存在对耦合结构振动能量俘获效果的积极影响。
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