基于声子晶体的周期结构带隙机理及应用研究

论文摘要

声子晶体是一种具有弹性波带隙的结构和材料,由于通常情况下声子禁带起始频率很高,难以满足噪声控制的需要。正是这方面的原因,导致声子晶体在噪声控制应用上受到了限制。所以本文围绕周期结构的带隙机理,特别是低频带隙机理进行了深入研究,揭示其影响带隙有效衰减特性的关键因素。同时,本文也将解决周期性结构在低频降噪应用方面所面临的瓶颈问题,并把该项目的研究成果应用于汽车的噪声控制,为进一步提高我国汽车的整体综合性能提供技术保障。周期性结构的带隙机理研究具有重要的理论和应用价值。本学位论文主要作出了以下几个方面的研究工作:研究了人工编织一维二元声子晶体,通过建立人工一维二元声子晶体动力学模型,计算了其弹性波带隙,并且从理论上找到了一种带隙起始频率低且带宽很宽的一维声子晶体理论结构,为实际构建用于噪声控制的周期性结构提供了理论依据。首次研究了传统多层结构中的无限周期性多层结构的弹性波带隙,通过建立周期性多层结构的振动模型,计算了其带隙。在此基础上研究了有限周期多层结构的传输特性曲线即频响曲线。实例数值计算结果表明:频响曲线上弹性波衰减较大的频率区间与无限周期结构的弹性波带隙一致,所以通过选择合适的材料,能够得到低频的声子带隙。实验验证了周期性多层结构的带隙存在。从二维周期性结构的振动方程出发,建立了二维带隙计算模型,并在此基础上分析了带隙与材料结构特性的关系。实例数值计算结果证明:理论结果与试验仿真计算结果是一致的。根据三维有限周期结构的特点,通过对有限周期结构的有限元的划分,得出了三维有限周期结构振动传输特性的微分方程;分析了不同结构形式和基体材料对传输特性的影响。要把周期性结构成功应用于车内噪声控制,还必须有效解决车身声传递通道识别与车内噪声测试。而车身是复杂结构腔体,由于其结构和材料的复杂性,所以在声学中求解复杂结构的传递函数及其内部声场是一个极其复杂的问题。为了很好解决复杂结构腔体的声学问题,本文提出了基于“虚拟系统”测量复杂结构“综合传递函数”的方法,并预测复杂结构内部任意点的声场。为利用周期性结构有效进行车内噪声控制提供科学依据。最后,基于前面的理论和实验研究结果,本文以模拟车身为实验对象,研究周期性结构在车内噪声控制上的实际应用效果,试验结果验证了理论的正确性。总之,本文从车内低频噪声控制的实际需要出发,通过理论分析、数值计算,深入研究了周期性结构的带隙机理,为人工编织周期性结构和材料提供了理论基础。本文的研究成果为振动与噪声控制,特别是低频振动和噪声控制提供了理论依据。该研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外声子晶体理论和技术研究概述
• 1.3 国内、外汽车低频噪声分析与控制研究概况
• 1.4 本论文的研究内容与研究方法
• 2 人工编织一维声子晶体带隙机理的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 人工编织一维二元声子晶体模型
• 2.3 人工编织一维二元声子晶体的弹性波禁带
• 2.4 人工编织一维二元声子晶体的弹性波禁带讨论
• 2.5 本章小结
• 3 多层周期性结构的声波带隙计算
• 3.1 引言
• 3.2 无限周期性多层结构的理论模型
• 3.3 有限多层周期结构的动力学方程
• 3.4 有限周期多层结构的振动传输特性计算
• 3.5 有限周期多层结构的传输特性实例计算
• 3.6 本章小结
• 4 多维周期性结构的声波带隙与传递特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 二维周期结构的弹性波带隙研究
• 4.3 二维二元有限周期结构的传输特性研究
• 4.4 三维有限周期结构的传输特性计算
• 4.5 本章小结
• 5 多层周期性结构隔声特性及试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验的设计
• 5.3 试验数据
• 5.4 有限周期结构的理论隔声量计算
• 5.5 试验数据分析与结论
• 5.6 本章小结与讨论
• 6 车身声传递通道识别理论与方法的研究
• 6.1 引言
• 6.2 车身“综合传递函数”的测量方法研究
• 6.3 复杂六面体（或多面体）中单个面的“综合传递函数”测量
• 6.4 复杂六面体内任意点的声场计算
• 6.5 车身整体“综合传递函数”测量试验
• 6.6 本章小结
• 7 基于周期性结构的车内噪声控制实验研究
• 7.1 实验的设计
• 7.2 实验数据
• 7.3 实验数据分析与结果
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读学位期间发表学术论文目录