局域共振型声学超材料薄板带隙特性的能量解法

摘要

研究局域共振型声学超材料的带隙特性时,面临的首要问题是寻求一种带隙特性的高效解法。为此,本文以局域共振型声学超材料薄板为研究对象,提出了一种基于能量泛函变分原理及正交多项式级数展开的带隙计算方法。该方法通过合并基体板及共振子的动、势能及外力功建立元胞的能量泛函,经过变分运算得到元胞的振动控制方程,进而引入第一类Chebyshev正交多项式作为基函数将控制方程进行离散。为克服无法直接对离散控制方程中的广义坐标施加周期边界条件的困难,该方法将连续边界条件弱化到若干选定的配点上以离散方式实现,并将对应的一组线性约束条件通过拉格朗日乘子法施加到系统中。仿真结果表明,该方法具有较高的计算精度和效率,并可应用于"局域共振子-夹层板"等复合结构的带隙特性研究。本文方法为局域共振型薄壁超材料的带隙求解提供了新的思路,丰富了声学超材料的振-声学理论,并为薄壁超材料的工程设计和优化提供了技术支撑。