参激可调声子晶体结构设计及动力学特性研究

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噪声及振动抑制是日常生活、工业发展、国防安全等方面急待解决的问题。声子晶体的带隙特性为控制和消除装备中各种有害振动和环境中的噪声提供了新的途径。对声子晶体来说,一旦材料或几何参数确定,其能带结构也就随之确定,不易改变。目前对声子晶体能带结构的主动控制主要采用能与其他物理场发生耦合的材料,但是并不能很有效的调控声子晶体的带隙,不能任意改变声子晶体的能带结构。基于这种情况本文提出了一种新的声子晶体能带调控方法,即通过对声子晶体系统施加高频激励改变系统的等效刚度,进而主动调控声子晶体能带结构。本文从以下几个方面具体阐述该方法的可行性和有效性:从一维离散声子晶体结构出发,通过拉格朗日方程对声子晶体单元进行动力学建模,利用运动分离方法处理运动方程中由高频激励引入的参激项。对动力学方程进行理论求解得到能带结构,并计算有限声子晶体的传输特性,分析参激对声子晶体能带结构造成的影响。通过MATLAB进行能带结构的数值求解,与理论结果进行对比验证。二维离散声子晶体的研究过程与一维类似。因为二维声子晶体还涉及到弹性波传播方向的问题,所以在二维声子晶体研究过程中额外分析了参激对群速度的影响。通过参激带来的能带结构的改变设计了能够实现波导效果的二维声子晶体结构,并进行了数值验证。通过有限元软件构建二维声子晶体单元模型并进行能带结构求解,分析了在不同特征频率下声子晶体单元的振动模式。本文最后研究了参激对声子晶体梁能带结构的影响。通过传递矩阵法对能带结构进行求解并分析参激频率对Bragg带隙和局域共振带隙的影响。通过有限元方法求解声子晶体梁在不同参激频率下的能带结构,并与理论结果进行对比。最后通过构建有限结构的声子晶体梁并计算传输特性来验证能带结构,分析有限结构声子晶体梁在Bragg带隙和局域共振带隙内的响应来说明参激对两种带隙产生不同影响的原因。
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