基于振动与噪声控制的声子晶体研究进展

内嵌式局域共振型声子晶体板隔振降噪特性研究
郑明军;刘俊杰;吴文江
【期刊名称】《石家庄铁道大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(35)4
【摘要】为解决低频振动与噪声问题,提出了一种内嵌式局域共振型声子晶体板结构。

引入弹簧振子模型计算模型带隙结构,建立该单胞结构有限元分析模型并验证
其带隙特性。

讨论了单胞模型的散射体材料、板几何结构及散射体包覆层结构对隔振降噪性能的影响规律,在此基础上对结构优化并对比优化前后声子晶体振动传输
特性,分析模型隔振能力及隔声量差异。

研究表明,合理设置几何材料参数可提升声
子晶体板结构低频带隙宽度,优化后结构相比于基本结构得到更好的隔振降噪效果。

【总页数】8页(P67-74)
【作者】郑明军;刘俊杰;吴文江
【作者单位】石家庄铁道大学机械工程学院;石家庄铁道大学教务处
【正文语种】中文
【中图分类】TB535
【相关文献】
1.轮辐板式局域共振声子晶体隔振器的振动特性研究
2.一种多频局域共振型声子晶体板的低频带隙与减振特性∗
3.局域共振声子晶体板的减振降噪研究
4.局域共振型声子晶体板缺陷态带隙及其俘能特性研究
5.非均匀局域共振型声子晶体隔声特性
研究
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组合型声子晶体板的低频减振降噪特性研究组合型声子晶体板的低频减振降噪特性研究引言降低噪音对于改善生活质量和提高工作效率至关重要。

在不同领域，例如建筑、交通运输和机械制造，声音的干扰往往对人们的生活和工作造成了很大影响。

因此，减振降噪技术成为了一个热门的研究领域。

近年来，声子晶体板作为一种新型的振动降噪材料，引起了广泛的关注。

本文将重点研究组合型声子晶体板的低频减振降噪特性。

1. 组合型声子晶体板的结构和原理组合型声子晶体板是由两个或多个不同材料组成的复合结构。

它的结构可以根据需要进行设计和优化，以实现特定的低频减振降噪效果。

在组合型声子晶体板中，晶格结构和材料的密度分布对声波传播的特性起着重要的影响。

2. 材料选择与设计声子晶体板的材料选择是实现低频减振降噪的关键。

首先，需要选择具有较高的密度和较低的声速的材料，以增强声波的散射效果。

其次，材料的结构和形貌也会影响声波的传播和散射，因此需要进行合适的设计和优化。

3. 实验测试与结果分析为了研究组合型声子晶体板的低频减振降噪特性，我们搭建了相应的实验平台，并进行了一系列实验测试。

通过改变声子晶体板的结构和材料组合，我们测量了不同频率下的声波传播和衰减情况。

实验结果表明，组合型声子晶体板在低频段具有较好的减振降噪效果，能够有效地吸收和分散声波能量。

4. 优化与应用展望基于实验结果的分析，我们可以进一步优化组合型声子晶体板的结构和材料组合，以进一步提高它的低频减振降噪效果。

此外，组合型声子晶体板还可以应用于建筑和交通工程中，用于减少噪音的传播和干扰，改善人们的生活和工作环境。

结论本文研究了组合型声子晶体板的低频减振降噪特性。

通过实验测试和结果分析，我们验证了这种新型材料在低频段具有较好的减振降噪效果。

此外，我们也展望了组合型声子晶体板在建筑和交通工程中的应用前景。

我们相信，通过进一步的研究和优化，组合型声子晶体板将在未来的噪音控制领域发挥重要作用通过实验测试和结果分析，本研究验证了组合型声子晶体板在低频段具有较好的减振降噪效果。

万方数据　万方数据　万方数据　万方数据　万方数据一种新的减振降噪声学功能材料——声子晶体作者：温淑花， 张学良， 王鹏云， 文晓光， WEN Shu-hua， ZHANG Xue-liang， WANG Peng-yun， WEN Xiao-guang作者单位：太原科技大学,机电工程学院,山西,太原,030024刊名：装备制造技术英文刊名：EQUIPMENT MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2010(1)被引用次数：1次1.李桂芳.曹金喜声子晶体的能带结构和潜在应用[期刊论文]-材料导报 2005(专辑Ⅳ)2.Sigalas M M.Economou E N Elastic and Acoustic Wave Band Structure[外文期刊] 1992(02)3.Kushwaha M S.Halevi L.Dobynski T Acoustic Band-Struc-ture of petiodic elastic composites[外文期刊] 1993(13)4.张荣英.姜根山.王璋奇.吕亚东声子晶体的研究进展及应用前景[期刊论文]-声学技术 2006(01)5.王刚.温激鸿.刘耀宗.郁殿龙 温熙森大弹性常数差二维声子晶体带隙计算中的集中质量法[期刊论文]-物理学报 2005(03)6.赵树恩.李以农.郑玲.谢梅松声子晶体与汽车振动噪声控制[期刊论文]-材料导报 2007(04)7.Martinez-Sala R M.Sancho J.Sanchez J V Sound attenuation by sculpture[外文期刊] 1995(16)8.Liu Zhengyou.Zhang Xixiang.Mao Yiwei Locally Resonant Sonic Materials[外文期刊] 20009.王刚.温激鸿.韩小云.赵宏刚二维声子晶体带隙计算的时域有限差分方法[期刊论文]-物理学报 2003(08)10.郁殿龙.刘耀宗.邱静.王刚 温激鸿 赵宏刚一维声子晶体振动特性与仿真[期刊论文]-振动与中击 2005(02)11.郁殿龙.刘耀宗.王刚.温激鸿 邱静一维杆状结构声子晶体扭转振动带隙研究[期刊论文]-振动与中击 2006(01)12.肖伟.曾广武基于波传播法的一维声子晶体禁带[期刊论文]-机械工程学报 2007(01)13.温激鸿.王刚.刘耀宗.郁殿龙基于集中质最法的一维声子晶体弹性波带隙计算[期刊论文]-物理学报 2004(10)14.曾广武.肖伟.程远胜多组声子晶体复合结构的隔声性能[期刊论文]-振动与中击 2007(01)15.郁殿龙.刘耀宗.邱静表面局域态对一维声子品体中水平剪切波传输特性的影响[期刊论文]-人工晶体学报2005(03)16.赵芳.苑立波二维声子晶体同质位错结缺陷态特性[期刊论文]-物理学报 2006(02)17.赵言诚.赵芳.苑立波二维声子晶体异质线缺陷的声波导特性[期刊论文]-人工晶体学报 2006(06)18.李晓春.易秀英.肖清武.梁宏字三组元声子晶体的缺陷态[期刊论文]-物理学报 2006(05)19.朱敏.方云团.沈廷根一维声子晶体缺陷态的研究[期刊论文]-人工晶体学报 2005(03)20.刘启能一维声子晶体的缺陷模特征[期刊论文]-材料导报 2008(专辑Ⅺ)21.刘启能可调谐声子晶体滤波器的设计[期刊论文]-压电与声光 2008(04)22.刘启能多通道声子晶体滤波器的理论研究[期刊论文]-振动与中击 2008(03)23.郑玲.李以农.A Baz一维声子品体的振动特性与实验研究[期刊论文]-振动工程学报 2007(04)24.曹永军.董纯红.周培勤一维准周期结构声子晶体透射性质的研究[期刊论文]-物理学报 2006(08)25.陆延肯.朱永元.陈延峰.祝世宁 闵乃本离子型声子晶体的光学性质[期刊论文]-物理 2000(04)26.陆延青.朱永元.陈延峰.祝世宁 闵乃本离子型声子晶体中的长波光学性质[期刊论文]-材料研究学报 2001(01)27.代丽.齐志红.冯峰.朱宇 严佳君2007年度"中国基础研究十大新闻"评选揭晓[期刊论文]-科技导报 2008(04)28.刘克.周启君.冯涛法向入射传声损失的测量理论及实验研究--(1)理论部分 200429.温激鸿.郁殿龙.王刚.赵宏刚 刘耀宗薄板状周期栅格结构中弹性波传播特性研究[期刊论文]-物理学报2007(04)30.郁殿龙.刘耀宗.王刚.温激鸿 邱静二维声子晶体薄板的振动特性[期刊论文]-机械工程学报 2006(02)1.华佳.张舒.程建春中间包层对声子晶体禁带结构的影响[期刊论文]-声学技术2003,22(z2)2.许震宇.章敏声子晶体器件声带隙性能的声固耦合分析[会议论文]-20063.张学良.韦晔华.胡树根基于OpenGL的圆锥齿轮曲面离散[期刊论文]-计算机工程与应用2004,40(13)4.武美先.张学良.温淑花.郭琴.Wu Meixian.Zhang Xueliang.Wen Shuhua.Guo qin BP神经网络的双学习率自适应学习算法[期刊论文]-现代制造工程2005(10)5.武美先.张学良.杨明亮.常争艳.Wu Mei-xian.Zhang Xue-liang.Yang Ming-liang.Chang Zheng-yan带活力因子的粒子群优化算法[期刊论文]-现代制造工程2007(8)6.刘永超.黄玉美.王效岳.张学良.高峰.LIU Yong-chao.HUANG Yu-mei.WANG Xiao-yue.ZhANG Xue-liang.GAO Feng基于遗传算法的柔型多功能机运动学逆解[期刊论文]-西安理工大学学报1999,15(1)7.温淑花.张学良飞刀粗加工蜗轮时实际工作后角的研究[期刊论文]-制造技术与机床2002(1)8.刘彦杰.张田文.张学良.LIU Yan-jie.ZHANG Tian-wen.ZHANG Xue-liang基于Lifting Scheme的自适应小波滤波器组的研究[期刊论文]-哈尔滨商业大学学报（自然科学版）2005,21(5)9.马利杰.王贵成.张学良.MA Li-jie.WANG Gui-cheng.ZHANG Xue-liang工艺参数对振动攻丝扭矩的影响[期刊论文]-机床与液压2005(2)10.孙富贵.陈花玲.吴九汇.Sun Fugui.Chen Hualing.Wu Jiuhui高温条件下纤维型多孔金属材料声振耦合的研究[期刊论文]-应用力学学报2010,27(2)1.马琮淦.左曙光.何吕昌.魏欢声子晶体与轮边驱动电动汽车振动噪声控制[期刊论文]-材料导报 2011(15)本文链接：/Periodical_zbzzjs201001055.aspx。

局域共振声子晶体板的减振降噪研究郭旭1，2，崔洪宇1，洪明1（1.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024；2.东风日产乘用车公司技术中心，广州510800）摘要：针对船舶设备及结构的振动噪声控制问题，提出一种附加圆柱型振子的声子晶体板结构。

基于周期结构的Bloch 定理，采用有限元方法对声子晶体板的带隙特性进行计算，并通过振动传递率和隔声损失来描述声子晶体板的隔振及隔声效果，在此基础上分析了散射体几何参数及布置形式对隔振及隔声效果的影响。

研究表明，声子晶体板在特定频率范围内具有很好的隔振及隔声效果，通过合理设计散射体几何参数及布置形式，可以实现结构的低频宽带隔振及宽带隔声，在船舶振动噪声领域中具有很好的应用前景。

关键词：声子晶体；带隙特性；船舶结构；减振降噪中图分类号：O48O734文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2021.04.014Research on vibration and noise reduction of local resonant phononic crystal plateGUO Xu 1,2,CUI Hong-yu 1,HONG Ming 1(1.School of Naval Architecture Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.Technical Center,Dong Feng Nissan,Guangzhou 510800,China)Abstract:To suppress the propagation of vibration and noise in the ship equipment and structure,a phonon⁃ic crystal plate structure was designed with additional cylindrical vibrators.Based on the Bloch theorem of pe⁃riodic structure,the band gap of the phononic crystal plate was obtained with finite element method,the ef⁃fects of vibration isolation and sound insulation were described by vibration transmission rate and sound insu⁃lation loss.Moreover,the effects of the geometric parameters and arrangement of the scatterers on the vibra⁃tion isolation and sound insulation effects were analyzed.It is shown that the phononic crystal plate has a good vibration isolation and sound insulation effect in a specific frequency range.By rationally designing the scatterer geometric parameters and arrangement form,the low-frequency broadband vibration isolation and broadband sound insulation of the structure can be realized,which supplies more application opportunities in the vibration and noise reduction.Key words:phononic crystal;band gap characteristic;ship structure;vibration and noise reduction.0引言随着船舶向轻量化、快速化及重载化方向发展，船舶的振动噪声问题日益突出。

新型功能材料—声子晶体研究进展与应用前景摘要：声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材科，这种周期性结构所具有的声波带隙特性可以认为具有某种过滤效应，即当多种频率的振动或声波通过此类晶体时，由于布拉格散射，便会分裂为导带和禁带，处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播，而处于导带频率范围内的振动或声波则能顺利通过声子晶体。

通过求解声波在晶体中的波动方程可以设计所需要的声子禁带和导带。

文中对声子晶体的概念和基本特征、研究进展、理论方法、潜存应用等方面进行了阐述，并对声子晶体的研究工作进行了展望。

关键词：声子晶体周期性结构声子禁带1、引言物理学中的许多进步和成果始于对周期性结构中波的传播情况的研究，如电子的能带结构，Bloch振荡器和全息术。

随着研究的逐渐深入，人们已经制备出了许多新型功能材料。

并应用于各个领域。

以硅晶体为代表的半导体材料的出现引发的电子工业革命，使我们进入了信息时代。

半导体的理论依据是固体电子的能带理论[1]。

即电子（波）在周期性势场的作用下会形成禁带和导带，带与带之间有间隙。

近年来，人们突破了以现有原材料为研究对象的限制。

进入了通过能带设计来模拟天然晶格以获得新型功能材料和器件的新阶段。

1987年，Yablonvithch和John分别发现了光波通过周期性电介质结构后的色散曲线成带状，即产生了带隙，于是各自提出了光子晶体（photonic crystal）[2,3]这一新概念，推进了材料科学的发展，并由此掀起了专门研究光子晶体的热潮。

既然光波通过光子晶体能产生带隙，那么有没有一种材料当弹性波通过时也能产生带隙呢?答案是肯定的，1992年，Sigalas .和Economou .在理论上证实球形材料埋入某一基体材料中形成周期性点阵结构具有带隙特性的重要结论。

随后，Kushwaha .等人明确提出了声子晶体（phononic crystal）[4]的概念，近十几年来相关的理论和实验研究也已经证明了这一点，通过求解声波在晶体中的波动方程可以设计所需要的声子禁带和导带。

2020年12月第12期（总267）铁道工程学报JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETYDec2020NO.12(Ser.267)文章编号：1006-2106(2020)12-0064-06基于声子晶体理论进行轨道系统减振效果研究李粮余杯(中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031)摘要:研究目的:针对高速铁路下穿机场航站楼引起的振动噪声问题,分析传统轨道减振技术针对高铁下穿航站楼时存在的弊端，基于声子晶体理论，引入新型声子晶体减振垫层，以降低60~80Hz特殊频段的振动水平，减少列车运行对机场航站楼内人员的影响。

本文以成都至自贡高铁线下穿天府机场航站楼为例,采用多刚体动力学软件UM(Universal Mechanism)与有限元软件ANSYS联合仿真，通过建立两种不同下部基础的列车-轨道-隧道刚柔耦合动力学模型，对新型声子隔振垫和普通隔振垫的减振效果进行对比分析，验证新型声子减振垫的减振效果。

研究结论：(1)基于声子晶体局域共振禁带机理设计的新型声子晶体隔振垫轨道各结构低频范围的振动峰值有所减小，且在特定频段(63~100Hz)减振性能更为显著,其中在80Hz频段范围减振效果最佳,较普通隔振垫减小9.9dB,在高铁下穿航站楼时具有良好的减振效果；(2)本研究成果可用于临近或下穿机场及特殊建筑时的高速铁路无祚轨道减振降噪。

关键词：高速铁路;航站楼;声子晶体;隔振垫中图分类号:U213.2+44文献标识码：AResearch on the Vibration Reduction Effect of Track System Based on Phononic Crystal TheoryLI Liangyu(China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan610031,China)Abstract:Research purposes:Aiming at the problem of vibration and noise caused by high一speed railway crossing airport terminal,this paper analyzes the disadvantages of traditional track vibration reduction technology in high一speed railway crossing terminal.Based on phononic crystal theory,a new phononic crystal damping pad is introduced to reduce the vibration level of60〜80Hz and the influence of train operation on people in the airport terminal.Taking the Chengdu-Zigong high-speed railway line passing through the Tianfu airport terminal as an example,the multi一rigid body dynamics software UM(Universal Mechanism)and the finite element software ANSYS are used to the simulation. By establishing two train—track一tunnel rigid一 flexible coupling dynamics models of different foundation,the vibration absorption effect of the new phononic damping pad and the ordinary damping pad is compared and analyzed to verify the vibration absorption effect of the new phononic cushion.Research conclusions：(1)The vibration peak value of the low frequency range of each structure of the track that used new phononic crystal damping pad based on the local resonance band gap mechanism of phononic crystals is reduced, and the vibration absorption perfoimance is more significant in the specific frequency band(63〜100Hz).The damping*收稿日期:2020-10-15基金项目：四川省重点研发项目——川藏铁路重大工程风险识别与对策研究(2019YFG0460)**作者简介:李粮余,1982年出生，男，高级工程师，现任中铁二院工程集团有限责任公司土建二院轨道处副处长。

本科生设计（论文）论文题目：声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析姓名：学院：海洋港口学院专业：12机械制造及其自动化（港口）（师范）学号：***师：***声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析一、绪论1.1课题背景现代社会对噪声防治和处理的各种要求，促进了当代噪声控制工程技术的迅猛发展。

工程中对噪声进行处理最常用而有效的技术措施就是安装适当的隔声材料。

因此，对隔声材料进行开发研究具有十分重要的意义。

声子晶体是一种新型隔声材料，存在弹性波禁带，落在禁带范围内的弹性波在声子晶体中传播时会强烈的衰减，其衰减程度远远大于质量密度定理的预测值。

因此声子晶体在噪声与振动的控制方面有着巨大的潜力。

本文以声子晶体在中低频隔声的实际应用为切入点，针对布拉格散（Bragg）射型声子晶体和局域共振声子晶体，系统地研究其禁带的产生以及影响禁带特性的各种因素，通过有限元仿真与实验验证完成声子晶体在隔声功能上的应用尝试。

声子晶体复合材料的自身特性决定了其带隙影响因素的多样性，因此有必要对其带隙的影响因素进行全面的研究分析，通过对各个参数对带隙的影响情况的分析来判断声子晶体在中低频范围内隔声应用的可行性，为下一步的仿真计算和实验验证中声子晶体各参数的选择提供理论依据。

传统的隔声材料种类繁多，从定义上讲所有的对声波有阻隔作用的材料都可以称为隔声材料，实际的隔声工程实施中经常采用的隔声材料有各种金属板、石膏板、木板以及复合板材。

由于它们大多都属于均匀介质结构，其隔声量都遵循质量密度定理，即材料的隔声性能与面密度有关，面密度增加一倍隔声量将会增大 6 分贝。

因此要获得较好的隔声效果就必须要增加隔声材料的密度。

然而在实际的应用当中，增加隔声材料密度会带来施工成本以及施工难度的急剧增大，这也限制了传统隔声材料的应用范围。

因此工程应用当中对新型轻质隔声材料的需求非常迫切。

声子晶体材料是近几十年研究状况非常热门的一种新型功能性隔声材料，其本质是一种对弹性波传播存在禁带的、结构排列或材料选择具有周期性特点的复合材料，其概念的提出只有二十多年的历史，命名借鉴了光子晶体的命名方式。

周期性阻尼薄板结构带隙机理的研究陈源黄涛张三强周明刚周敬东(湖北工业大学机械学院武汉 430068)摘要：研究周期性阻尼薄板结构的带隙特性，通过建立周期性阻尼薄板结构的理论模型，计算周期性阻尼薄板结构的带隙；用试验测试周期性阻尼薄板结构的振动传输特性曲线，并与同等面积的非周期性阻尼结构的振动传输特性曲线比较，实验验证了周期性阻尼薄板结构的带隙。

0前言板结构是工程中常用的简单构件之一，抑制其弯曲振动也是振动与噪声控制领域的基本问题之一，如汽车的振动与噪声控制问题。

在抑制车身壁板振动上，最常用方法即为粘贴阻尼，汽车车身的薄板粘贴阻尼成了抑制车身振动声辐射的一种典型结构。

常用的阻尼粘贴方法使用大块阻尼材料粘贴于汽车车身。

本文主要基于周期性结构的带隙理论，研究薄板粘贴周期性阻尼结构的振动传输特性，通过建立薄板粘贴周期性阻尼结构的理论模型计算其理论带隙。

最后，试验测试条形间隔的周期性阻尼薄板结构带隙，并将条形间隔的周期性阻尼薄板结构与传统大块阻尼结构的薄板振动传输特性曲线进行比较。

理论与试验表明周期性阻尼粘贴具有很好的减振效果。

1周期性阻尼薄板结构的理论建模周期性阻尼薄板结构如图1所示，金属薄板的厚度为、板的宽为，阻尼片的厚度为，该周期结构的周期常数为，研究周期性阻尼薄板的弯曲振动，图1 周期性阻尼薄板结构图取未变形薄板的中轴为轴。

当外部激励是垂直加栽周期性阻尼薄板结构的一端时，周期性阻尼薄板结构与细直梁的弯曲振动极为类似[1]，如图2所示。

图2 周期性阻尼薄板结构简化的一维结构阻尼材料为粘弹性材料，由于阻尼片粘贴的区域内阻尼材料的质量与金属薄板的质量相差不大，因此阻尼片的质量不可忽略，所以阻尼片可简化质量、弹簧和阻尼；该周期性阻尼薄板结构又可简化为图3所示结构。

同一维局域共振细直梁周期结构比较，周期性阻尼薄板结构的简化模型只是多了阻尼。

所图3 周期性阻尼薄板结构模型简化图以，该结构同样满足欧拉——伯努利梁的条件[1]。