前沿文献:具有低频带隙、强减振降噪的新型三维声学超材料

文摘   2024-11-09 12:02   江苏  

对低频振动和噪声的抑制一直是声学超材料的研究热点。基于亚波长结构的局部共振效应,本文提出了两种新的拓扑优化方法,得到了两种新的三维单相材料结构。基于Bloch定理和晶格理论,对不同结构的单细胞进行了有限元模拟,分析和探讨了不同结构的带隙特性和打开机理。通过对有限周期结构的振动输运模拟,得到了结构的频率响应谱。结果表明,两种新型超材料结构都具有良好的带隙性能,在2000 Hz范围内最宽的第一带隙宽度达到809 Hz,总带隙宽度百分比达到52.7%,打开带隙的主要振动形式为内部结构的旋转和偏移共振以及部分结构的扭转共振。

基于局部共振效应和布拉格散射效应,提出了几种新的三维声学超材料动力学模型。通过未使用拓扑优化和横向比较不同结构的能带结构图以及不同具体点对应振型的振动形式,最终找到了两个具有优异带隙特性的模型,即模型C和模型D,并对其带隙特性和带隙产生机理进行了深入的讨论和分析。然后对两种模型的有限周期结构进行振动传输仿真,得到频率响应谱和位移云图,分析两种模型的振动传输衰减特性。

结果表明,在保持B模型结构不变的情况下,填充不同尺寸的韧带和方板对带隙的频率范围和弹性波在结构中的传播有较大的影响。在低频时,影响带隙起始频率的振动形式是内部结构整体的旋转共振和偏置共振,在较高频率时,影响带隙起始频率的振动形式主要是部分结构的扭转共振。上述共振与Bragg散射的耦合是导致带隙打开的原因,带隙产生的机理主要是特定点上下边缘对应的两条色散曲线的振动模态的不同。型号C和D由于其独特的结构设计,在2000hz频率范围内具有多个带隙。此外,在所有带隙中,模型D的总宽度最大,占总频率范围的52.7%,远高于模型c。频率响应谱中的振动衰减面积与带隙的频率范围高度匹配。通过有限元仿真,模拟了弹性波传入有限周期结构时的振动传播衰减过程,验证了两种新的三维模型对振动传播具有良好的抑制效果。两种模型的最大衰减峰均出现在4321 Hz和3330 Hz处,分别为- 237.6和- 306.3,说明在较高的频率范围内,D模型的最大衰减能力强于C模型。这两种新型结构采用了不同的拓扑优化方法方法和方法也有各自的优点。它们都是亚波长单相材料结构,具有重量轻的优点。由于实验条件的限制,无法通过实验对结构进行验证,只能通过仿真进行验证。本文提出的设计方法可以为后续的实际工程和理论研究提供新的手段和思路。



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