声子晶体减振降噪特性分析研究及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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高南沙，沈礼，侯宏 著

图书标签:

• 声子晶体
• 减振
• 降噪
• 振动控制
• 材料科学
• 声学
• 结构设计
• 有限元分析
• 工程应用
• 物理学

出版社： 西北工业大学出版社

ISBN：9787561257241

版次：1

商品编码：12331196

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-12-01

用纸：胶版纸

页数：253

字数：292000

正文语种：中文

内容简介

　　《声子晶体减振降噪特性分析研究及应用》紧紧围绕在如何利用人工周期结构（声子晶体、声学超材料）来解决低频减振降噪的核心问题上，详细而巧妙地设计出一系列新结构来揭示带隙产生的新机理，从振动的物理本质出发，推导出一系列与人工周期结构相关的带隙力学估算模型，探究结构设计背后的物理机理，并给出了其参数影响规律和设计经验。该书的研究对推动声子晶体理论在减振降噪领域中的工程应用具有重要的理论研究意义和工程参考价值。

目录

第1章 绪论
1．1 引言
1．2 声子晶体、声学超材料概述
1．3 声子晶体、声学超材料的实际应用
1．4 声子晶体、声学超材料研究存在的问题
1．5 本书研究工作简介
参考文献

第2章 声子晶体理论方法和特征参量
2．1 声子晶体基础理论
2．2 声子晶体特征参量及其计算方法
2．3 Bragg散射型声子晶体物理机理及其局限性
2．4 局域共振型声子晶体物理机理及工程应用
2．5 局域共振型声子晶体理论模型研究
2．6 本章小结
参考文献

第3章 基于低频共振散射机理的二维分形声子晶体研究
3．1 分形的定义及其与声子晶体结构的结合
3．2 分形声学超材料研究最新进展
3．3 自相似分形声子晶体带隙特性分析
3．4 自相似分形声子晶体物理机理分析
3．5 自相似分形声子晶体带隙特性的影响因素
3．6 Sierpinski分形声子晶体带隙特性分析
3．7 Sierpinski分形声子晶体物理机理分析
3．8 Sierpinski分形声子晶体带隙特性的影响因素
3．9 分形声子晶体透射谱计算
3．1 0本章小结
参考文献

第4章 基于低频多重振动耦合机理的二维双谐振声子晶体研究
4．1 二维双谐振声子晶体带隙特性分析
4．2 二维双谐振声子晶体物理机理分析
4．3 二维双谐振声子晶体带隙特性的影响因素
4．4 二维双谐振声子晶体带隙边界的等效模型计算
4．5 本章小结
参考文献

第5章 基于低频多重振动耦合机理的二维四方折叠梁声子晶体研究
5．1 二维四方折叠梁声子晶体带隙特性
5．2 二维四方折叠梁声子晶体物理机理分析
5．3 二维四方折叠梁声子晶体带隙的影响因素
5．4 二维四方折叠梁声子晶体能量回收分析
5．5 本章小结
参考文献

第6章 基于低频多重振动耦合机理的三维局域共振型声子晶体及其
等效模型研究
6．1 三维局域共振型声子晶体带隙特性分析
6．2 三维局域共振型声子晶体物理机理分析
6．3 三维局域共振型声子晶体带隙特性的影响因素
6．4 三维局域共振型声子晶体带隙边界的等效模型研究
6．5 本章小结
参考文献
……
第7章 基于多重共振耦合机理的三维径向声子晶体研究
第8章 二维三明治型声子晶体薄板低频特性研究与应用
第9章 旋转的二维孔型声子晶体特性研究与应用
第10章 基于声子晶体带隙特性的能量回收研究
第11章 薄膜声子晶体在汽车低频减振隔声中的应用
参考文献
附录本书中材料仿真计算参数

前言/序言

　　一直以来，对设备结构进行低频减振降噪是理论和工程应用上难以解决的问题。周期结构在工程中广泛使用主要是在满足力学要求的前提下减轻结构的质量，同时也使周期结构在外部激励下容易发生振动，并辐射出强烈的噪声。因此，对工程设备结构中的波传播特性及其物理机理的研究是实现减振降噪的基础。
　　近年来，凝聚态物理学领域中的声子晶体、声学超材料等概念的提出打破了传统方法，为低频减振降噪提供了全新的思路，但是仍然有很多关于物理机理的本质问题和针对实际工程需要的技术问题没有解决。本书基于在低频内进行减振降噪这一核心问题，从新机理、新结构设计和工程新应用这三方面出发，通过对带隙特性、物理机理的研究，总结研究其结构、材料和带隙变化之间的关系。
　　笔者自2013年开始进行声子晶体、声学超材料特性理论的研究。随后，以结构中的低频减振降噪为目的，在深入分析传统周期结构减振降噪理论和方法的基础上，结合最新理论研究，开展了一系列声子晶体弹性波带隙的应用研究。近期，又紧跟国际声学超材料的发展，开展了基于声学超材料前沿理论的水下声学覆盖层应用研究。
　　本书紧紧围绕利用人工周期结构（声子晶体、声学超材料）解决低频减振降噪的核心问题，详细而巧妙地设计出一系列新结构来揭示带隙产生的新机理，从振动的物理本质出发，推导出一系列与人工周期结构相关的带隙力学估算模型，总结并给出其参数影响规律和设计经验。针对企业的实际需求，通过声学实验证明了本书提出的人工周期结构具有优秀的隔声能力，并评估其实用性。本书的研究对推动声子晶体、声学超材料理论在减振降噪领域中的工程应用具有重要的理论研究意义和工程参考价值。
　　中国电子科技集团公司第十四研究所沈礼博士对本书的撰写提出了宝贵建议，课题组的侯宏教授以及西安交通大学吴九汇教授给予了许多支持和帮助，程宝柱、张瑞浩、柒志光等研究生和周文林等本科生也参与了校稿工作，在此一并表示感谢。
　　同时，本书的完成还要感谢国家自然科学基金项目（项目编号11474230）以及中央高校基本科研业务费（编号3102016QD056）的支持。
　　由于水平有限，书中难免存在不妥之处，热忱希望各位专家和读者批评指正。

固体物理学前沿探索：新型材料的声学性能与应用 图书简介 本书聚焦于当代材料科学与固体物理学交叉领域的前沿课题，深入剖析了一类具有周期性结构的新型材料——超材料——在声学和振动控制方面的独特物理机制、设计原理与工程应用。全书摒弃了对特定功能材料的预设，转而构建了一套普适性的理论框架，用以理解和量化材料结构对宏观声波和振动波的影响。 本书的核心关注点在于波的拓扑结构、负有效参数响应以及非线性动力学行为。我们不讨论声子晶体的具体应用，而是从更基础的物理现象出发，探讨如何通过精妙的结构设计，实现对弹性波、声波在常规材料中难以实现的调控能力。 第一部分：周期性结构中的波的传播动力学 本部分为全书的理论基石，详细阐述了周期性介质中波的本征行为。 第一章：晶格动力学与能带结构基础 本章首先回顾了晶格振动的基本理论，引入布里渊区、费米面等概念。重点在于构建一维和二维周期结构的色散关系模型。我们利用格林函数方法和平均场近似，推导了在不同对称性晶格中波传播的特征方程。特别地，我们引入了宏观等效介质理论（MIMT）的局限性分析，旨在说明在结构尺度接近或小于波长时，传统连续介质理论失效的原因。本章强调了布洛赫定理在周期结构中的本质意义，以及如何通过改变晶格常数和单元内部结构参数，来塑造声学或弹性波的禁止带（Band Gaps）。这里的禁止带是材料对波传播的内在限制，而非外部激励的消散。 第二章：拓扑不寻常的波的边缘态 超越传统的能带计算，本章深入探讨了拓扑绝缘体概念在声学和机械系统中的类比实现。我们引入了拓扑不变量（如Chern数或Z2不变量）来表征周期结构的宏观声学特性。重点分析了在具有时间反演对称性破缺或强梯度势场下，如何产生具有非零拓扑荷的边缘态。这些边缘态的传播路径是“受保护的”——即对局部的几何缺陷和杂质具有极强的免疫性，这与传统基于能量差值定义的禁带有着本质区别。本章通过数值模拟展示了这些拓扑声波在复杂路径上传播的鲁棒性。 第二部分：负参数响应与超常声学现象 本部分的核心在于探讨如何设计结构，使得材料表现出在自然界中不存在的本构关系，即具有负的有效质量密度或体积模量。 第三章：逆压电效应与负有效质量 本章专注于负有效质量的实现机制。我们分析了由动态力学结构（如梁、板或悬臂梁）的几何非线性振动模式所导致的宏观响应。当结构的工作频率接近其固有共振频率时，其对外部激励的响应表现出相位滞后或超前的极端情况。我们详细推导了通过局部共振器（Local Resonance Structures）实现负有效质量密度的物理机制。这涉及到对谐振子模型和阻尼效应的精细化处理，着重分析了负有效体积模量的结构化实现，即通过引入空腔或可压缩结构，使得材料在特定频率范围内对压力波产生与常规材料相反的形变响应。 第四章：广义洛伦兹与类比电磁理论 本章将声学和弹性波的传播类比于电磁波在超材料中的传播。我们建立了类洛伦兹介质（Lorentzian-like Media）在声学领域的等效模型。重点分析了双负响应（同时具有负有效质量和负体积模量）区域的形成条件。在此区域内，波的相速度和群速度方向相反，导致了负折射现象。本章利用费曼图和路径积分方法，从更抽象的物理层面解读了负折射的本质，并探讨了如何通过精确控制结构参数，实现对声波的完美聚焦或空间相位控制。 第三部分：非线性动力学与能量耗散控制 本部分关注真实世界中材料的复杂响应，特别是非线性特性和能量的有效管理。 第五章：非线性模态耦合与自激振荡 本章探讨了材料内部结构（如晶格位错、材料界面）在强激励下的非线性行为。我们引入Duffing振子模型和非线性薛定谔方程（NLS）的声学类比形式，分析了四波耦合和克尔效应在弹性波传播中的体现。特别关注了当声波强度达到一定阈值时，能量如何在不同频率模式之间转移，可能导致自激振荡或孤子（Soliton）的产生与演化。这为理解高强度超声波在复杂介质中的衰减和能量沉积提供了新的视角。 第六章：结构阻尼与能量的动态转移 与传统的能量吸收（如粘滞阻尼）不同，本章侧重于基于结构几何的能量重新导向。我们引入了耗散弹性体的概念，并分析了如何通过引入倾斜的界面或非对称的耗散单元，将入射的弹性波能量有效地转化为低频、难以传播的模式，或者通过非线性机制将其转化为热能。本章对粘弹性材料的本构关系进行了修正，纳入了频率依赖的杨氏模量和泊松比，为更精确地预测实际工程中的振动衰减提供了工具。 总结 本书旨在提供一个全面且深入的理论和计算平台，用于分析和设计具有特定声学或振动控制功能的新型周期性结构和超材料。它强调了从基础物理原理出发，通过结构调控实现宏观波的灵活操控的科学路径，为面向未来复杂声学环境下的被动与主动控制技术奠定坚实的理论基础。全书贯穿着对结构-特性-功能之间内在联系的深入挖掘，适合于固体物理、材料科学、声学工程及结构动力学领域的科研人员和高级学生参考。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书的后半部分，我感受到了强烈的工程实践导向，这与前面对纯理论的探讨形成了完美的互补。作者精妙地将理论分析与具体的减振降噪应用场景相结合，详述了如何设计出具有宽带隙或特定指向性隔声特性的三维声子晶体结构。特别是在处理实际工程中的环境振动问题时，书中探讨的拓扑优化方法和几何参数的逆向设计流程，极具操作价值。例如，它没有仅仅停留在理想周期结构上，而是深入分析了在制造公差、材料非线性和边界条件等实际约束下，声子晶体性能可能出现的退化与优化策略。这种“从实验室到车间”的思维路径，使得这本书不仅仅是一本学术专著，更像是工程技术人员解决实际噪声污染问题的工具书。我尝试按照书中的某些设计流程复盘了一个过去遇到的低频振动隔离项目，发现书中提供的仿真验证方法和参数敏感性分析，能有效避免许多初期设计误区，极大地提高了研发效率。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格非常稳健，带着一种老派物理学家的严谨和一丝不苟。语言的组织上，大量使用了精确的数学符号和详尽的公式推导，这让内容显得非常“硬核”。对于那些希望从根本上掌握声子晶体物理机制的读者来说，这种详尽的数学论证是不可或缺的。然而，这种风格也带来了一定的阅读门槛，非专业人士可能需要反复查阅前置知识才能完全跟上作者的思路。我注意到，作者在处理非线性声学效应的部分尤其出色，他清晰地区分了线性声子晶体理论在强激励下的局限性，并引入了 Duffing 振子模型等非线性工具来描述振幅依赖的带隙移动现象。这种对理论适用范围的边界意识，体现了作者对研究前沿深刻的洞察力。总体来看，这是一部面向高层次研究人员和博士生的深度参考资料，它要求读者具备扎实的声学和固体力学背景。

评分☆☆☆☆☆

从编辑和排版的角度来看，这本书的编排逻辑清晰，章节之间的过渡自然流畅，体现了高水平的学术出版标准。信息的密度非常高，几乎没有冗余的叙述，每一句话都承载着重要的物理信息。然而，我个人认为，如果在涉及复杂三维建模和计算声学模拟（如有限元法或边界元法）的部分，能够加入更多不同软件环境下的参数设置示例或后处理技巧的简要说明，或许能更好地服务于那些需要快速上手进行数值模拟的研究生。尽管如此，作者对不同数值方法在处理结构复杂性时的优劣势对比分析，依然具有重要的指导意义。总而言之，这是一部扎实、深刻且具有前瞻性的专业著作，它不仅总结了当前声子晶体减振降噪领域的核心知识体系，更为后续的研究工作指明了多个值得深入探索的方向，是该领域不可或缺的里程碑式文献。

评分☆☆☆☆☆

这部关于声子晶体的著作，从物理学的基础原理出发，深入剖析了周期性结构如何调控声波的传播行为。作者没有止步于理论推导，而是花费了大量篇幅阐述了布里渊区、能带结构以及禁带的形成机理，这对于理解晶体如何实现对特定频率声波的有效抑制至关重要。我特别欣赏作者在解释概念时的详尽与清晰，即使是初次接触固体物理和波动力学的新手，也能通过这些严谨的阐述，构建起对声子晶体概念框架的完整认知。书中的图示质量极高，那些展示态密度、群速度以及声子带隙边界的曲线图，直观地揭示了结构参数（如孔洞尺寸、晶格常数）与声学性能之间的复杂映射关系。这种理论深度与可视化效果的结合，使得本书不仅是研究人员的手册，也为高等教育阶段的教学提供了极佳的参考资料。它为我们打开了一扇窗，去审视材料科学如何通过结构设计来“编程”材料的声学响应，而非仅仅依赖材料本身的本征性质。

评分☆☆☆☆☆

令我感到惊喜的是，此书在讨论“应用”时，视角相当开阔，远超出了传统的隔音墙或机械阻尼器范畴。作者花费了好几章的篇幅，探讨了如何利用声子晶体的负有效质量和负有效体积特性，设计出具有超常声学性能的器件，例如声学超材料中的完美吸收体和隐身器件的理论基础。这种将“减振降噪”的概念提升到更宏观的“声波调控”层次的论述方式，极大地拓展了我们对声子晶体潜能的想象空间。书中对这些新兴应用的案例分析，虽然很多仍处于理论验证阶段，但其清晰的物理图像和巧妙的结构设计，无疑为未来突破传统声学限制提供了明确的蓝图。它成功地将一本看似聚焦于工程问题的书籍，提升到了基础科学前沿探索的高度，激发了读者对未来声学器件设计的热情。