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声子晶体带隙的计算对推动声子晶体的应用具有重要意义。本论文针对声子晶体在建筑隔声降噪、抗振、防震及国防等诸多领域可能的应用,采用集中质量法计算一维声子晶体的能带结构,分析一维声子晶体在低频振动、噪声控制、抗振防震方面的应用可能,并从理论上设计出具有隔声、防震性能的一维声子晶体。
本论文运用MATLAB语言编程对一维声子晶体二组元和三组元多种材料组合和配比情况的能带结构进行计算,并用Origin7.5对计算出来的数据进行分析,以判断所设计的一维声子晶体的实用性及其应用范围,其创新点反映在如下方面:
(1)运用MATLAB语言编程对一维声子晶体能带进行计算是可行的。计算中选取石灰岩/硅橡胶组成的一维二组元声子晶体结构为例,详细分析了该声子晶体中三个材料参数(密度、弹性模量、泊松比)和两个结构参数(品格尺寸、组份比)对声子晶体带隙起止频率的影响,并对三组元声子晶体的情况进行了计算和分析,讨论了部分参数对声子晶体带隙起止频率的影响。
(2)对一维二组元石灰岩/硅橡胶声子晶体的研究表明,第一带隙频率可降到500Hz范围内且带隙较宽;一维三组元硅橡胶/丁腈橡胶/塑料组成的声子晶体,当晶格尺寸a为0.05m时,第一带隙起止频率可降到300Hz范围以内,最低频率为118.74.34Hz且带隙较宽,处于入耳可闻区(20~20000Hz)。这两类声子晶体模型单个周期尺寸小,均为0.05m,理论上可通过3~5个周期复合来实现建筑物墙体隔音降噪的功能。
(3)对于选用工程材料混凝土和橡胶组成的一维二组元声子晶体模型,当取组分比为1:1,晶格尺寸为2.0m时,第一带隙起止频率为4.8340~11.4295Hz;当选用工程材料钢板和橡胶组合,组分比为1:1,晶格尺寸为2.0m时,第一带隙起止频率为2.8946~11.4297Hz。这两个模型的第一带隙频率部分已经处在地震波频率0.1~10Hz范围,理论上可将此模型通过周期复合来实现建筑物基础防震的功能。
(4)对于选用工程材料钢/橡胶/混凝土组成的一维三组元声子晶体模型,当取组分比为1:4:1,晶格尺寸为1.2m时,第一带隙起止频率为5.9722~14.2893Hz,这种声子晶体模型同样可以应用于建筑物的基础防震。