学术前沿 | 六手性混合声学超材料的分层设计与振动抑制

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-02 09:28

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本文介绍了一种新的具有双负特性的局部共振分层六手声学超材料(HAM)，旨在实现宽低频带。结合波动方程和布洛赫理论，研究了HAM的色散关系。HAM在0- 2200hz范围内打开了三个新的带隙，其中最宽的带隙为291hz。与传统的六手结构相比，HAM的带隙宽度增加了47.7%，中心频率降低了。在此基础上，数值计算了波的动力有效参数和模态分析，解释了波传播的物理机理。不同模态通过等效建模方法等效于弹簧-质量模型，表现出明显的局部平移和旋转共振以及双负性质。它解释了低频带隙和负群速度通带的产生。传输频谱的验证是通过垂直扫频测试实现的。此外，通过控制振荡器的数量和位置，验证了结构的可调性，实现了带隙优化。与无振荡器的超材料相比，总带宽增加了154%。该研究为抗低频振动的工程应用提供了一种新颖的方案和全面的见解。

本文在经典六手体结构的基础上，设计了一种局部共振的分层六手体声学超材料(HAM)。目的是研究其减振降噪性能，并通过其波输运特性揭示其能量耗散特性。结合经典波动方程和布洛赫理论研究了结构的色散关系。比较了经典六手体结构和HAM的带隙图，说明了HAM的优越性。结果表明，与传统的六手体结构相比，该结构在低频范围内打开了4个带隙。对于第三个带隙(787-1078 Hz)，带隙宽度增加了47.7%。中心频率降低了33.4%。带隙更宽，带隙的中心频率更低。减振降噪性能得到了大幅度提高。然后，用模态分析和负有效质量密度解释了带隙的产生，可以清楚地观察到局域共振效应。局部共振机制使弹性波在某些区域被强烈散射和吸收。这改变了它的传播路径和能量分布，从而形成带隙。另一方面，负的有效质量密度揭示了低频带隙的工作机理。因为负的有效质量密度意味着波矢量和波速有虚部。因此，波的振幅在带隙范围内呈指数函数衰减。除此之外，还证明了HAM具有双负特性，这主要是通过手性结构的局部平移和旋转共振获得的。然后，通过垂直扫频实验验证了传输频谱的仿真结果。结果表明，HAM在减振降噪方面确实具有优势，特别是在低频区域。最后，通过控制振荡器的数量和位置来验证结构的可调性，实现带隙优化。与无振荡器的超材料相比，总带宽增加了154%。该研究为抗低频振动的工程应用提供了一种新颖的方案和全面的见解。

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