可变形声学超材料板的减振性能研究

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声学超材料是近些年出现的一种周期性人工复合结构,在某些特殊频段会出现负的等效参数,这些频段被称为带隙。带隙的存在使得声学超材料在低频降噪方面相比于传统的隔音材料具备明显优势,但也存在带隙的范围较窄的问题。在声学超材料的发展过程中,声学超材料板由于其轻质、可承载、易于得到负等效参数的特点受到了广泛关注,并在近些年得到了很大发展,但带隙范围窄的问题依然存在。本文提出了一种可变形声学超材料板的方案,研究如何利用质量块变形来拓宽声学超材料板的频率带隙,并探究带隙与其减振性能之间的联系,这对于推动薄膜型声学超材料在减振领域的发展和应用具有重要意义。首先,使用有限元软件分别对质量块变形前、后的声学超材料板进行能带结构和振动传输损耗的仿真计算,发现质量块的变形可以使带隙的位置和宽度发生偏移,且声学超材料板对频率处于带隙范围内的振动具有较强的衰减能力,频率带隙和减振性能之间存在对应关系。进一步分析橡胶薄膜的预拉伸量、质量块的附着面积对于声学超材料板带隙位置和宽度的影响,根据变化规律对方案进行改进、优化。然后,使用分数阶Kelvin-Voigt模型对橡胶的粘弹性本构模型进行描述,将橡胶薄膜视为粘弹性矩形板对其振动方程进行推导,获得了振动方程的解析解。通过动态频率扫描实验,发现橡胶薄膜弹性模量会随振动频率的增长而变大,并根据实验数据对声学超材料板的能带结构进行了仿真分析,发现随着薄膜弹性模量的增大,带隙出现的位置会变高,带隙宽度会先变大后变小。最后,根据设计方案制作了两个声学超材料板来模拟质量块变形前后的状态,进行了振动实验,获得了相应的频率响应曲线。实验结果对比表明,质量块变形后的减振能力强于质量块变形前的状态,且都能对频率处于带隙范围内的振动进行较强的衰减。
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