广义声子晶体球壳的振动与声学特性研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dishunzhaopin
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声子晶体是一种弹性常数及密度周期分布的新型复合材料或结构,以其独特的弹性波禁带、缺陷态、负折射与声聚焦等特性引起了研究学者的广泛关注。声子晶体的这些特性使其在振动噪声隔离领域、声功能器件等方面展现出广阔的应用前景。  现有声子晶体的平移周期性大多借鉴和模仿了自然晶格,这类特定形式的周期性在很大程度上限制了声子晶体的空间构型,进而阻碍了声子晶体理论和应用的进一步发展。为此,本文将现有声子晶体的平移周期性进行了拓展,提出并定义了广义声子晶体这一概念。结合球坐标系,构造了一种具有径向平移周期性的一维广义声子晶体球壳(GPC球壳),针对其径向振动特性、隔声特性和声散射特性进行了深入研究。主要内容包括:  首先,对GPC球壳的径向振动特性进行了研究。基于固体中的弹性波动理论,采用传递矩阵法结合局部化因子,对球面纵波带隙进行了理论分析和数值探讨,并通过有限元方法对有限结构进行了仿真验证,在此基础上,进一步分析了材料参数和结构参数对振动带隙的影响规律。此外,还侧重考察了纵波带隙内该GPC球壳结构的应力分布问题,揭示了应力集中现象及其发生机理。  其次,对GPC球壳的隔声特性进行了研究。在建立中心点声源激励下的声辐射模型基础上,借助球壳动力学理论和流体动力学理论分析方法,通过引入壳体表面边界条件,对声波的透射系数、反射系数以及隔声量进行了理论分析和数值研究,并采用有限元法对计算结果进行仿真验证。此外,还探讨了球壳内外流体介质特性对透射系数的影响。  进一步,本文考察了任意点声源激励情况。建立了GPC球壳在任意点声源激励下的声辐射模型,研究了该GPC球壳对任意点声源的隔声特性。借助傅里叶变换技术,将辐射声场表示为无穷项子模式声波的叠加形式,采用状态向量传递矩阵法并引入边界协调条件,对不同子模式声波分量的反射/透射系数进行了理论分析和数值研究。此外,还引入了插入损失法,对GPC球壳与均质球壳的总体隔声量进行了数值计算和对比,并进行了仿真验证。  最后,对平面声波入射情况进行了研究。针对平面声波入射到内外均充满流体的GPC球壳这一情况进行了理论分析,对无限远处的形态函数进行了数值计算,并讨论了各主要参数对形态函数的影响规律。  研究表明,GPC球壳存在显著的径向振动带隙,该带隙能够有效地抑制中心点声源的辐射声波,结构和材料参数对该声波带隙具有重要影响;构成GPC球壳的材料排列顺序对球壳内的应力、隔声量大小都会产生不可忽视的影响;在非中心点声源激励下,相比均质球壳,GPC球壳依然具有显著的隔声优势;在平面入射声波场激励下,该GPC球壳的周期性会对背向散射谱带来一定影响。
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