声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析剖析

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。

声子晶体引人注目的重要特征为其存在弹性波禁带，落在禁带分布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。

而在其它频率范围（通带）的弹性波由于声子晶体的色散特性则不会出现很明显的衰减；当声子晶体结构不再严格的呈现周期性或对称性时，其禁带频率范围内的弹性波将会在出现变化或缺陷的位置处产生局域态现象，或其传播方向将会与缺陷方向吻合。

因此，声子晶体对于弹性波的运动状态可以起人工的调控作用。

近年来,大量的实验和理论研究已经开展。

声子晶体除了用于声音滤波和转换外，还提供了研究弹性波大量的物理效应的可能性，例如局部波、隧道效应以及负折射效应。

二、机械振动与噪声及其控制与利用2.1机械振动的危害与应用机械振动在机械行业既有有利的一面，同时，也有着有害的一面。

对于有利的一面，我们要予以利用；对于对人类有害的部分，我们要尽量减小，甚至避免。

在机械工业和其它工业部门存在着难以计数的有害振动问题，这些问题常会引起巨大的损失，给人类的生产、生活带来难以想象的问题。

以振动工程的理论、技术和方法来研究与解决这些问题，是当务之急。

当振动量超过允许的范围，振动会加剧，影响机器零件的工作性能，使机器的零部件产生附加动载荷，减小零件的寿命。

对于大型、高速回转的机械，因动态失稳而造成的重大恶性事故，已经发生数次。

大型发电机机组由于急剧上升的振动可在几十秒钟之造成彻底解体，造成大量损失。

甚至国外某些核电站发生事故就是由于这种原因造成的。

在生产制造过程中，由于机械振动现象的存在，使生产出来的产品无法达到所要求的精度，造成大量的经济损失。

大型工程结构因振动而引起的事故也时有发生。

历史上发生过由于正步行进造成共振现象使桥发生坍塌现象。

近代还发生过大型桥梁或冷却塔因“风激振动”而断裂、倒塌的事故。

油轮由于在海上发生振动造成船体断裂，究其原因，也是机械振动问题所致。

此外，由于机械振动所产生的噪音也会对人的身心健康造成极大的影响。

事实上，可以说振动问题普遍地存在于工业生产和工程的各个领域。

科学技术发展到今天，对许多工程项目来说，振动分析与控制，已经是一个项目成功与否的重要因素。

同时，机械振动又有着有利的一面，大家日常听到的音乐就是各种乐器振动所产生的。

工程中利用振动原理设计出了许多振动机械，例如振动输送机、振动打桩机、振动筛分机、振动机床、振动造型机等等。

机械振动问题广泛存在于机械工业领域。

它所造成的危害是我们必须解决的问题，因此，机械振动的控制与研究已经成为整个行业必须重视的问题。

与此同时，机械振动也有着对人类有用的一面，人类利用机械振动可以完成不同的工艺过程。

因此，机械振动是一把双刃剑，对于有益的方面，我们加以利用，而对于危害我们日常生活的方面，我们要尽量加以避免。

2.2机械振动的抑制从广义上讲，振动控制包括两方面内容：（1）有利振动的利用；（2）有害振动的抑制：抑振（即振动控制）。

振动控制的任务：通过一定的手段使受控对象的振动水平满足人们的预定要求。

采用隔振、吸振、阻尼等技术措施以减轻物体振动并阻止其传播。

其目的是保护人及灵敏仪器设备免受振动的影响。

振动控制在现代工程中应用十分广泛，很多工程因为没有考虑共振效应而失败，造成经济上的损失和人员上的伤亡。

因此，其研究价值不言而喻。

工业和运输业中广泛采用机器作原动力，机械振动的危害越发严重，振动控制要求日益迫切。

汽轮机、水轮机和电机等动力机械，汽车、火车、船舶和飞机等交通运输工具，以及工作母机、矿山机械和工程机械等，都沿着高速重载方向发展，其振动也日益强烈。

精密机床和精密加工技术的发展中，如果离开严格隔振的平静环境，工作就不正常，无法达到预期的精度目标。

材料工业和建筑工业的发展中，广泛采用高强度的建筑材料，建筑高度不断攀升使得建筑受风载激励后振幅达几米之大，难以满足舒适和安全要求，倘不能减振，此类高楼就无法继续发展下去。

飞机、导弹、坦克、战车通常在最为恶劣的环境中工作。

因此，军工部门对减振环节的要求也日渐增多。

尤其是如今的精确打击方向的研究，更需要减振理论的支持。

设计机械设备时，应周密地考虑所设计的对象会出现何种振动:是线性振动还是非线性振动;振动的程度；把振动量控制在允许范围内的方法。

这是决定设计方案时需要解决的问题。

已有的机械设备出现超过允许范围的振动时，需要采取减振措施。

为了减小机械设备本身的振动，可配置各类减振器。

为减小机械设备振动对周围环境的影响，或减小周围环境的振动对机械设备的影响，可采取隔振措施。

系统受到瞬态激励时，它的力、位移、速度、加速度发生突然变化的现象，称为冲击。

一般机械设备经受得起微弱的冲击，但经受不起强烈的冲击。

为了保护机械设备不致于受强烈冲击而破坏，可采取缓冲措施，以减轻冲击的影响。

如飞机着落时，轮胎、起落架和缓冲支柱等分别承受和吸收一部分冲击能量，借以保护飞机安全着陆。

减小机械噪声的根本途径主要在于控制噪声源的振动,在需要的场合,也可配置消声器。

2.3机械噪声的危害与抑制噪声的危害噪声是声的一种,是一种令人不愉快的有害的声音,噪声的危害归纳起来有如下三个方面; 1.机械噪声可导致耳聋:根据工矿企业大范围、长时间检测数据得知。

在声级80分贝工作,耳聋危险率为0,不会造成噪声性耳聋,10年以上危险率为3％。

噪音是引起听力丧失的常见原因，事实上不只是职业暴露的工人，一般人在日常生活中都会有机会暴露在各种不同程度的噪音中，可能发生各种不同程度的听力丧失，而不自觉。

噪音不只是影响听力而己，噪音也会影响心脏血管的健康，睡眠的品质，甚至胎儿的发育。

一般机器发动产生的噪音约90分贝（分贝）左右，一般工厂工人约暴露在85到95分贝的工作环境中。

一般人在生活环境中可能遭遇的噪音分别是：飞机引擎声，热门音乐声音可达120分贝以上，火车通过的声音100分贝，大卡车通过的声音85分贝，吸尘器的声音70分贝，正常交谈的声音60分贝，汽车慢速行驶声音50分贝，安静的办公室约40分贝，磨擦树叶约20分贝。

美国国家环境职业研究所规定一般听力保謢标准为在90分贝环境下暴露不可持续超过8小时，95分贝则不可超过4小时;否则100％即会有听力损伤的危险。

事实上每3分具则声音能量即倍数增加，而非5分具。

噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面：损害听力。

有检测表明：当人连续听摩托车声，8小时以后听力就会受损；若是在摇滚音乐厅，半小时后，人的听力就会受损。

有害于人的心血管系统、中国对城市噪声与居民健康的调查表明：地区的噪声每上升一分贝，高血压发病率就增加3%。

影响人的神经系统，使人急躁、易怒。

影响睡眠，造成疲倦。

从心理声学的角度来说，噪音又称噪声，一般是指不恰当或者不舒服的听觉刺激。

它是一种由为数众多的频率组成的并具有非周期性振动的复合声音。

简言之，噪音是非周期性的声音振动。

它的音波波形不规则，听起来感到刺耳。

从社会和心理意义来说，凡是妨碍人们学习、工作和休息并使人产生不舒适感觉的声音，都叫噪音。

如流水声、敲打声、沙沙声，机器轰鸣声等，都是噪音。

它的测量单位是分贝。

零分贝是可听见音的最低强度。

控制噪声应从声源、传声途径和人耳这三个环节采取技术措施。

第一，控制和消除噪声源是一项根本性措施。

通过工艺改革以无声或产生低声的设备和工艺代替高声设备，如以焊代铆、以液压代替锻造、以无梭织机代替有梭织机等；加强机器维修或减掉不必要的部件，消除机器磨擦、碰撞等引起的噪声；机器碰撞外用弹性材料代替金属材料以缓冲撞击力，如球磨机内以橡胶衬板代替钢板，机械撞击处加橡胶衬垫或加铜锰合金以及加工轧制件落地，可改为落入水池等。

第二，合理进行厂区规划和厂房设计。

在生产强噪声车间与非噪声车间及居民区间应有一定的距离或设防护带；噪声车间的窗户应与非噪声车间及居发区呈90度设计；噪声车间内应尽可能将噪声源集中并采取隔声措施，室内装设吸声材料，墙壁表面装设或涂抹吸声材料以降低车间内的反射噪声。

第三，对局部噪声源采取防噪声措施。

采用消声装置以隔离和封闭噪声源；采用隔振装置以防止噪声通过固体向外传播；采用环氧树脂充填电机的转子槽和定子之间的空隙，降低电磁性噪声。

第四，控制噪声的传播和反射。

控制噪声的基本途径首先是控制噪声源，其次是控制噪声传播和噪声接收。

①噪声源的控制：控制噪声源的振动是最根本的办法。

一般措施包括：降低激励，如减小冲击力、对旋转质量作动平衡；在设备安装和零部件装配时进行正确的校准和对中；保证相对运动件结合面的良好润滑并降低结合面的表面粗糙度；电气部件间的电磁力平衡；采取减振和隔振措施，以降低辐射噪声的构件对激励力的响应，如改变构件的固有频率，增大振动件或整个机械系统的阻尼等。