基于声子晶体带隙特性的船舶减振降噪研究

摘要

声子晶体是一种人工设计的周期性结构，特定频率内的弹性波在该结构中无相应的本征模式，因此在结构中无法传播。通过合理设计局域共振型声子晶体散射体的参数及布置形式，可以实现结构的低频宽带隔振及宽带隔声，在船舶振动噪声领域中具有较好的应用前景。 本文首先介绍了声子晶体理论及振动噪声理论，基于有限元方法及平面波展开法对BRAGG型声子晶体的带隙特性进行求解，证明了所编写程序的正确性。通过有限元法求解附加圆柱型散射体的局域共振声子晶体的带隙特性，进一步定性分析几何和物理参数对带隙特性的影响。研究表明，散射体的几何及物理参数改变会引起散射体等效质量及刚度的改变，进一步影响声子晶体板的带隙特性。 基于声子晶体板的带隙特性，将声子晶体板结构引入到船舶多级隔振系统及船舶舱室舱壁结构中，对其隔振及隔声效果进行研究。通过对比文献中的算例结果，证明本文计算隔振及隔声特性方法的正确性，分析几何参数及物理参数对局域共振型声子晶体板及加筋板减振隔声效果的影响。 在此基础上，对原胞上附加不同数量及不同形式散射体的声子晶体板设计方案进行进一步的研究，结果表明，通过合理设计散射体几何参数、物理参数及布置形式，可以实现结构的低频宽带隔振及宽带隔声。 选取船舶典型的多级隔振系统，将其中的普通钢板结构替换为局域共振型声子晶体板结构，对多级隔振系统的隔振特性进行仿真分析，结果表明，在带隙频率范围内，附加声子晶体板结构的多级隔振系统具有较好的隔振效果。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 声子晶体概述

1.2.1 声子晶体简介

1.2.2 声子晶体的带隙产生机理

1.3 声子晶体的国内外研究进展

1.3.1 声子晶体带隙特性研究

1.3.2 声子晶体减振降噪特性研究

1.4 声子晶体带隙特性研究方法

1.5 本文主要内容

2 声子晶体减振降噪的理论基础

2.1 理论研究框架

2.2 声子晶体的理论基础

2.2.1 弹性动力学和弹性波

2.2.2 声子晶体的空间排列

2.2.3 Bloch 定理和Brillouin 区

2.3 声子晶体带隙特性的计算方法

2.3.1 平面波展开法

2.3.2 有限元法

2.4 振动及声学理论

2.4.1 频率响应函数计算

2.4.2 隔声量的计算

2.4.3 隔声量的测量

2.5 BRAGG散射型声子晶体板的计算

2.5.1 纵向振动带隙特性

2.5.2 弯曲振动带隙特性

2.6 本章总结

3 局域共振型声子晶体板的带隙特性计算与分析

3.1 带隙特性计算方法准确性验证

3.2 几何参数对带隙范围的影响

3.2.1 散射体高度及半径

3.2.2 基体厚度和晶格常数

3.2.3 孔径大小对带隙范围的影响

3.3 物理参数对带隙范围的影响

3.3.1 弹性层的弹性模量

3.3.2 基体和质量块的材料

3.4 本章小结

4 声子晶体板在船舶隔振系统中的应用

4.1 隔振特性计算方法准确性验证

4.2 结构参数对隔振效果的影响

4.2.1 几何参数对隔振效果的影响

4.2.2 物理参数对隔振效果的影响

4.3 声子晶体板的低频宽带及多频带隔振

4.3.1 声子晶体板的低频宽带隔振

4.3.2 声子晶体板的多频带隔振

4.4 声子晶体板在船舶多级隔振系统中的应用

4.5 本章小结

5 声子晶体加筋板在船舶舱室隔声中的应用

5.1 隔声特性计算方法准确性验证

5.2 结构参数对隔声效果的影响

5.2.1 几何参数对隔声效果的影响

5.2.2 物理参数对隔声效果的影响

5.3 平面波的入射角度对隔声效果的影响

5.4 声子晶体加筋板的宽带及多频带隔声

5.4.1 声子晶体板的宽带隔声

5.4.2 声子晶体板的多频带隔声

5.5 本章小结

结论

参 考 文 献

附录A 材料属性

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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