声学超材料结构设计及声学特性研究

IMECH-IR > 微重力重点实验室

	声学超材料结构设计及声学特性研究
英文题名	Configuration Designing and Properties Researching of Acoustic Metamaterials
	蒙丹
导师	王育人
	2016
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位类别	硕士
学位专业	一般力学与力学基础
摘要	声学超材料是一种人工周期性结构，它不仅能打破质量密度定律以较小的尺度实现对低频声波的有效控制，而且具备一些天然材料所不具备超常声学特性，因此受到广泛的关注。这些超常特性通常是源于特殊的周期结构在声波作用下的整体表现，而非通过改变材料的组成来实现，所以对基元结构的设计是获得超常声学特性的关键。基于这一思想，研究者设计了一系列新型的声学超材料和声学器件。目前，对声学超材料的研究取得了一系列成果，但其尚未得到广泛应用，主要存在如下问题：对于单负声学超材料，研究主要基于单振子系统，这使得适用频带窄、调控因素少；而双负声学超材料通常需要多种材料复合而成，结构复杂难以实现。而现有的研究发现，基元内部的耦合作用有利于宽屏带隙及声学超常特性的实现。在此基础上，本文分别构建了基元内部能产生耦合作用的多振子系统与星型双负超材料，并对它们的声学特性展开研究。首先利用同心圆环结构及椭圆散射体分别构建强耦合及弱耦合多振子声学超材料。同心圆环多振子系统的研究给出了带隙随振子数变化的规律：（1）随振子数增加，带隙个数增加的同时，总带隙宽度拓宽；（2）第一带隙下截止频率随振子数增加逐渐向高频移动。另外，对其等效介质参数的研究表明，虽然分层设计使得各振子出现强耦合效应，带隙边界振动模态却始终为偶极振动，故同心圆环结构为单负声学超材料。对于椭圆多振子声学超材料，研究则表明振子的排列方式会对其能带结构产生影响。其次，对星形拉胀结构的声学特性展开研究。计算结果说明该结构能在低频产生较宽的带隙，且带隙特性会受到结构参数的影响。其中，内凹夹角的改变会影响第一带隙产生的频率范围及第二带隙的宽度，这种变化产生的物理机制是振动模态形式的改变；另外随肋板厚度增加，第一带隙和第二带隙的下截止频率向高频移动，带隙宽度也随之增大。而等效介质参数的计算结果表明，这种简单的结构能表现出双负特性。进一步的研究表明，这是由于肋板弯曲变形的耦合产生了旋转态或杂化态。论文最后一部分对消声瓦与换能器适配安装展开数值计算及实验研究。利用数值计算确定适配安装方案，并通过实验实现了消声瓦与换能器的适配安装。综上所述，多振子系统会产生更丰富的带隙，有利于带隙的扩宽；而星形拉胀结构则实现了，利用单相材料产生双负特性。二者分别为解决单负声学超材料频带过窄及双负声学超材料结构过于复杂等问题提供了新的思路。
索取号	31346
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59433
专题	微重力重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	蒙丹. 声学超材料结构设计及声学特性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.

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201662103904.pdf（4581KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文