具有低频宽禁带特性的广义声子晶体新机理研究

Phononic crystal has brought new challenges for the modern acoustic technology, the acoustic band gap mechanism and low-frequency band gap structure has been one of the important subjects of the research areas. The project's goal is to design a new phononic crystal structure with low-bandwidth characteristics of band gap, and the object of study is the phonon inclusions with the gap structure. A new theory on the basis of the Bragg scattering and local resonance theory will be explored, starting from a sound viewpoint of energy and the introduction of flow visualization techniques. In order to obtain the acoustic mechanism of the band gap due to the gap structure of phonon inclusions, the project uses the finite element simulation and experimental tests to study the visual way of illustrating the internal energy propagation, distribution and attenuation law. Then, the gap structure characteristic parameters of the sound energy frequency modulation mechanism in the broad conditions will be studied, and the analytical model of the band gap characteristics varying with the gap characteristic parameters will be established. According to the optimization of the gap structure parameters, the combination of parameters corresponding with the minimum frequency and wide band gap will be obtained. At last some experiments are designed and carried out to verify the theoretical results. The study of this project not only has significant academic value in theory, but also has some innovative in content and methods. The research results provide a theoretical basis for the realization of application of phononic crystals in areas as the industrial noise reduction and the acoustic stealth of the warship.

声子晶体为现代声学技术带来新的挑战，其声学禁带机理和低频禁带结构一直是该研究领域的前沿课题之一。本项目以设计具有低频宽禁带特征的声子晶体结构为目标，以含有缝隙结构的声子散射体为对象，从声能量角度出发，引入流体可视化技术，在布拉格散射和局域共振理论基础上，探讨新的理论方法，采用有限元仿真与实验测试相结合的研究手段，探索实现声子晶体内部能量传播、分布和衰减规律可视化的途径，以期获得缝隙结构声子散射体产生声学禁带的本质机理；在此基础上，研究广义条件下缝隙结构特征参数对声能的频率调制机理，建立禁带特性随缝隙特征参数变化的解析模型，并根据解析模型优化缝隙结构参数，获得最低频率和最宽频带相对应的缝隙参数组合；最后，设计多种实验方案，验证理论计算结果。本项目不仅在理论上具有重要的学术价值，在内容和方法上也具有一定的创新性，研究成果将为声子晶体在大型装备隔声降噪以及舰艇声隐身等领域的工程应用提供理论基础。

复杂装备的噪声问题，城市噪声污染及新型武器研发中的噪声控制问题，急需探索新型的噪声控制材料。声子晶体作为一种新型的人工复合材料，为现代声学技术带来新的挑战，其声学禁带机理和低频禁带结构是该研究领域的前沿课题。本项目以设计具有低频宽禁带特征的声子晶体结构为目标，以含有缝隙结构的声子散射体为对象。首先利用有限元理论，提出了声子晶体禁带机理的可视化研究方法，获得了本征模态可视化视图，频域稳态可视化视图和时域瞬态可视化视图，直观地再现声子晶体内部声波与结构相互作用的方式，取得了方法论上的突破。其次采用可视化研究方法，通过对典型缝隙结构声子晶体的能带结构，传输特性，元胞本征模态，有限结构稳态声场和瞬态声场进行分析，系统研究了缝隙结构声子晶体禁带产生的本质原因，某些频率的声波会同时激起一对具有互斥互补特性的局域模态，两模态之间相互抑制，使该频率的声波无法在声子晶体中继续前行，声波传播表现为强烈衰减的特性，从而形成禁带。建立了缝隙结构声子晶体共振频率的理论预测模型，理论预测结果与数值分析结果一致，根据共振峰不重叠产生低频宽禁带的思想，依据切趾理论研究了不同缝参数切趾对禁带的作用，有效设计了变缝参数组合声子晶体和复合缝参数组合声子晶体，研究了其禁带拓宽机理和禁带特性，并对禁带和结构尺寸进行优化。最后，对变缝宽组合声子晶体、变缝向组合声子晶体和二维环形声子晶体的透射系数进行实验测试，并与数值计算结果进行比较，获得了一款适合工程实际应用的低频宽禁带声子晶体。本项目不仅在理论上具有重要的学术价值，在内容和方法上也具有一定的创新性，研究成果将为声子晶体在大型装备隔声降噪以及舰艇声隐身等领域的工程应用提供理论基础。在顺利完成原计划研究内容的基础上，开展了进一步的拓展研究，主要包括声子晶体缺陷态特性研究，径向声子晶体结构禁带机理研究，低频宽带声隐身机理研究以及声单向透射机理研究。本项目执行期间共发表SCI论文34篇，申请发明专利2项，参与国内外学术会议5次，培养博士研究生6名，硕士研究生7名。