垂直激励下复合颗粒链的动力学特性研究

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颗粒物质是近年来物理学研究的一个热门领域。因其本身具有的强烈非线性,颗粒物质表现出大量独特且有趣的实验现象,在一定条件下,呈现或类似司体、或类似液体、或类似气体的物质形态。作为颗粒物质的基本模型,一维颗粒链同样吸引了很多科学家的兴趣。尤其是其中声学能量的传递规律,有大量有价值的研究成果。本文首先以数值摸拟方法研究一维颗粒链中的孤波传播。链中颗粒间相互作用遵循Hertz定律,在一端受到瞬时振动激励的条件下,振动能量便会以孤波的形式在颗粒链中传播。通过数值求解由Hertz定律支配的颗粒动力学方程,可对此种孤波的相关量进行数值摸拟计算。本文还计算了颗粒弹性参数的变化对孤波传播的影响,并与质量变化结果做了比较,得出结论质量变化的影响更具决定性。另外,本文中也对如何在Hertz定律公式中加入能量损耗进行了探讨。借鉴颗粒“硬球模型”中恢复系数的概念,在公式中加入耗散系数,并用数值代入微分方程求解的方法确定耗散系数的值。修正后的Hertz定律公式与实际更为接近,并更适用于持续激励下颗粒链的摸拟计算。本文随后以实验方法研究了复合颗粒链在持续振动激励下的动力学特性。以铜质及铝质两种力学参数差别较大的颗粒组成二段复合链,记录并分析了颗粒链运动状态,以及与之相关的相位差,膨胀尺度,质心位移等参数。实验发现,“下重上轻”复合链的动力学特性与由“硬”颗粒组成的单一链类似,随着激励加速度的增大由“压缩态”转变为“流体态”,而“下轻上重”复合链则与“软”颗粒组成的单一链类似,由“压缩态”转变为“聚集态”,不会实现流体化。通过对于两种排布在相同激励参数下能量状态的计算,发现两种排布下颗粒链中的能量具有较大差异,在较高的激励加速度下“下轻上重”链中的能量小于“下重上轻”链,而导致这一差异的原因是两段链界面处的“声二极管”效应。这一效应在利用颗粒物质隔振方面具有潜在的应用前景。本文还对流体化状态下“下重上轻”链中波动的传播进行了探讨。通过对各颗粒平均位移时间曲线中位移峰值点做二次多项式拟合,得出波动传播速度随时间(高度)的变化,结果表明:在重颗粒段中,不同激励频率下波动传播速度近似为常数,而在轻颗粒段中,不同激励频率下波动传播速度差异较大,在较低的频率下与重颗粒段一样,近似为常数,而在较高的频率下,则会随时间(高度)减小,但在界面处相对于重颗粒段中的速度有一个明显的跃升,且激励频率越高,跃升越大。
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