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二维多孔材料声学性能研究

苏家煜  
【摘要】: 近年来,多孔材料以其独特的综合性能和广泛的应用前景,受到越来越多研究机构的高度关注。如何正确描述多孔材料的动力学性能成为科学研究的热点问题之一。与多孔材料在冲击下的变形、断裂和失效等研究相比,国内外对涉及应力波的扰动和传播问题的研究成果较少。多孔材料中应力波传播特性与材料微拓扑结构之间的关系还未建立。本文应用有限差分方法(FDTD),分别讨论了多孔材料几何因素(孔穴形状,孔隙率,点阵排布方式)以及物理因素(基体材料与孔隙材料的材料参数)对多孔材料中弹性波X-Y模式传播特性的影响。首先,选取基体材料为铝,孔穴为真空的多孔材料为研究对象,对孔穴形状分别为正方形、圆形和三角形的多孔材料在不同填充比以及不同点阵排布方式时的弹性波传播特性作了对比研究。其次,选取正方形孔穴正方形点阵排布的多孔材料为研究对象,固定孔穴中的填充物为汞(Hg),变换基体材料(分别为铝(Al),金(Au),铅(Pb),钢(Steel),环氧树脂(Pe)),讨论了基体材料和孔隙材料声学不匹配性对多孔材料中弹性波频散特性的影响。通过一系列的对比研究,得到以下结论: 1在孔隙为真空的情况下,随着孔隙率和错排率的变化,三角形孔穴的多孔材料最易形成完全带隙,圆形孔穴次之,而正方形孔穴则不会形成完全带隙。 2在孔隙率一定的情况下,三角形孔穴完全带隙随着错排率的增加而增大;圆形孔穴的带隙宽度随着错排率的增加而减小;在错排率一致的情况下,三角形孔穴和圆形孔穴多孔材料的带隙都随着孔隙率的增加而增大。 3多孔材料的带隙容易在基体材料与填充物弹性常数相差较大的体系中产生。带隙中心频率的大小与基体材料中的弹性波横波波速有关。横波速越大,产生带隙的中心频率越高。


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