声子晶体在减振降噪中的应用基础研究

摘要

现代社会对噪声防治和处理的各种要求,促进了当代噪声控制工程技术的迅猛发展。工程中对噪声进行处理最常用而有效的技术措施就是安装适当的隔声材料。因此,对隔声材料进行开发研究具有十分重要的意义。
　　声子晶体是一种新型隔声材料,存在弹性波禁带,落在禁带范围内的弹性波在声子晶体中传播时会强烈的衰减,其衰减程度远远大于质量密度定理的预测值。因此声子晶体在噪声与振动的控制方面有着巨大的潜力。本文以声子晶体在中低频隔声的实际应用为切入点,针对布拉格散(Bragg)射型声子晶体和局域共振声子晶体,系统地研究其禁带的产生以及影响禁带特性的各种因素,通过有限元仿真与实验验证完成声子晶体在隔声功能上的应用尝试。
　　本文首先对声子晶体禁带产生的理论进行计算分析。由于声子晶体根据禁带产生机理的不同分为布拉格散射型和局域共振型两种,这就需要分别对其进行研究。针对传统的一维二组元布拉格散射型声子晶体计算其能带结构,观察其带隙分布状况。针对中低频噪声本文提出了一种禁带频率较二组元声子晶体低的四组元声子晶体结构,并研究其能带分布情况;同时,对三维三组元局域共振型声子晶体的带隙产生机理进行研究并计算其单个晶胞的动态有效质量密度。
　　声子晶体复合材料的自身特性决定了其带隙影响因素的多样性,因此有必要对其带隙的影响因素进行全面的研究分析,通过对各个参数对带隙的影响情况的分析来判断声子晶体在中低频范围内隔声应用的可行性,为下一步的仿真计算和实验验证中声子晶体各参数的选择提供理论依据。
　　为了验证声子晶体实际应用的可行性,根据理论分析的结果确定声子晶体各组元的参数,建立声子晶体的有限元模型和声学分析的边界元模型,利用 Virtual. Lab Acoustic中的声学边界元模块对声子晶体隔声性能进行仿真分析,针对隔声仿真分析结果进行分析并确定隔声实验所需参数。
　　最后,针对局域共振声子晶体制备样品,搭建隔声测试平台,进行声子晶体的声学插入损失实验以验证其隔声能力。分析实验结果,总结声子晶体的隔声性能的规律。同时分析声子晶体隔声效果实验值与仿真值存在误差的原因。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 声子晶体简介

1.2.1 声子晶体概念及分类

1.2.2 声子晶体研究概述

1.3 国内外研究现状

1.3.1 声子晶体理论研究

1.3.2 声子晶体应用研究

1.4 本文主要研究内容

第2章 声子晶体理论基础及能带算法

2.1 晶体几何及能带论

2.1.1 晶格及其周期性

2.1.2 布洛赫定理及能带论

2.2 布拉格散射型声子晶体能带理论

2.2.1 布拉格散射型声子晶体理论基础

2.2.2 一维二组元声子晶体能带结构计算

2.2.3 一维四组元声子晶体能带结构计算

2.3 局域共振型声子晶体能带理论

2.4 本章小结

第3章 声子晶体带隙影响因素分析及参数确定

3.1 一维二组元声子晶体带隙影响因素分析

3.1.1 结构参数对声子晶体带隙影响分析

3.1.2 材料参数对声子晶体带隙影响分析

3.2 一维四组元声子晶体带隙影响因素分析

3.2.1 添加层厚度对局域共振声子晶体带隙影响分析

3.2.2 添加层材料参数对局域共振声子晶体带隙影响分析

3.3 局域共振声子晶体带隙影响因素分析

3.3.1 材料参数对局域共振声子晶体带隙影响分析

3.3.2 结构参数对局域共振声子晶体带隙影响分析

3.4 本章小结

第4章 声子晶体隔声性能仿真分析

4.1 声子晶体隔声仿真方法

4.1.1 隔声仿真原理

4.1.2 隔声仿真环境

4.2 布拉格散射型声子晶体隔声仿真分析

4.2.1 布拉格散射型声子晶体仿真模型

4.2.2 布拉格散射型声子晶体隔声仿真结果

4.3 局域共振型声子晶体隔声仿真分析

4.3.1 局域共振型声子晶体仿真模型

4.3.2 局域共振型声子晶体隔声仿真结果分析

4.3.3 局域共振声子晶体模态分析

4.4 本章小结

第5章 局域共振声子晶体隔声性能实验

5.1 局域共振型声子晶体制造

5.1.1 局域共振型声子晶体组元材料选择

5.1.2 局域共振型声子晶体样品制备

5.2 声子晶体隔声实验测试系统

5.2.1 隔声实验效果的描述

5.2.2 实验硬件设备

5.2.3 实验方案及过程

5.3 声子晶体插入损失实验结果分析

5.3.1 散射体密度对隔声性能的影响

5.3.2 包覆层厚度对隔声性能的影响

5.4 声子晶体隔声实验结果与仿真计算对比及误差分析

5.4.1 隔声仿真数据的1/3倍频程及A计权处理

5.4.2 声子晶体隔声效果对比分析

5.4.3 误差分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢