布拉格型固/固声子晶体的模型设计与实验研究

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声子晶体是一种由不同弹性材料周期排列构成的人工复合型结构,其最大特点是具有带隙特性,声子晶体的带隙特性使其在减振降噪等领域有着广阔的应用前景。本文首先对基体为硫化橡胶的一维固/固声子晶体模型带隙规律进行了模拟探究。使用多物理场模拟软件COMSOL探究了不同材料的密度比、填充率和晶格常数对基体为硫化橡胶的一维固/固声子晶体带隙的影响。研究表明,在基体为硫化橡胶的一维固/固声子晶体模型中散射体与基体密度比的增大以及晶格常数的增大有利于降低第一带隙频率范围;散射体和基体密度比增大、填充率增大和晶格常数降低有利于增大带隙宽度;同时随着填充率的增加,有望打开一维固/固声子晶体的多条带隙。基于COMSOL模拟仿真,对基体为硫化橡胶的二维固/固声子晶体进行了模拟探究,以散射体为圆柱和正方体的二维固/固声子晶体为例,分别对这两种声子晶体散射体与基体的密度比、填充率以及晶格常数对二维声子晶体带隙的影响进行了探究。通过模拟计算结果发现:在散射体为正方体的二维二组元正方晶格声子晶体中,散射体和基体密度比增大、填充率增大和晶格常数降低有利于增大带隙宽度;散射体和基体密度比增大、填充率降低和晶格常数增大有利于降低第一振动带隙的起始频率;在散射体为圆柱的二维二组元正方晶格声子晶体中,散射体和基体密度比增大和晶格常数降低有利于增大带隙宽度。本工作在二维固/固声子晶体模拟计算的基础上,对二维正方晶格声子晶体进行了实验探究。实验分为两个部分:首先设计了一系列基体为硅橡胶材料的二维声子晶体,散射体分别为空气柱和45号钢柱,并分别进行模拟仿真与实验测试,将测试结果与模拟仿真结果进行对比;在第一次实验测试的基础上,设计出了十字交叉型实心/空心圆柱声子晶体,并进行了模拟仿真与实验研究。结果表明,与同尺寸的传统圆柱型声子晶体相比,调整后的十字交叉实心圆柱声子晶体与十字交叉空心圆柱声子晶体明显的拓宽和降低第一带隙范围,并且有效的减少了声子晶体的整体结构质量。声子晶体作为新型减振材料,具有尺寸小、效果好、频率可设计等优点,未来可广泛地应用于航天航空、精密机械、军事武器等各个领域。
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