基于Comsol仿真的声固耦合周期结构声振能带结构与频率响应计算

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基于Comsol仿真的声固耦合周期结构声振能带结构与频率响应计算
Comsol-based simulation for band structure and frequency response of vibration and sound in periodic structure
在众中的减振降噪技术中，有一种设计技术引起了学者们的广泛关注，即不连续结构或材料在结构设计中的引入。这种不连续结构产生的阻抗有效地抑制了波在结构中的传播[1-7]。当这种结构/材料不连续周期引入结构中后，入射波、反射波和传递波之间的相互耦合作用将得到增强，并产生了众周期所知的带隙现象。在带隙内，波传播将得到抑制；带隙外，波传播将被抑制。目前，已经大量的研究工作利用带隙特性在机械工程领域进行结构的优化设计和减减降噪研究。此处，通过给出一处典型例子(如图1所示)，说明如何利用商业有限元仿真软件计算声固耦合周期结构的声振能带结构与频率响应。


图1 一维充液周期管路结构示意图
一、无限周期充液管路能带结构图
（1）用comsol打开声固耦合模块，如图2所示。

图2
（2）用comsol建几何模型和有限元模型，如图3所示（这个比较简单，在这里不多说，自己建的模型也行，重点在于周期边界条件的设定）。


图3
（3）周期边界条件设定：在模型下面定义变量Varialbles——kz（波矢），随意给个0-1的初值，如图4所示。然后，右击Acoustic-Solid Interaction，添加周期边界Periodic Condition，并在Boundary Selection选择周期方向的边界面（如图4和图5所示的界面4和174），然后在Floquet periodicity中输入图5所示的表达式，其中Lpc为周期单元的长度。

图4


图5
（4）添加默认求解器，并求解（这一步很重要，不然在后面的Matlab程序调用中会报错）；注意，这里的求解步骤为Eigenfrequency，如图6所示。

图6
（5）打开Comsol 4.3a with Matlab，如图7所示。

图7
（6）打开Comsol 4.3a with Matlab，如图7所示。写好Matlab程序，进行计算。这里，亦给出了计算源程序。图8给出了计算的能带结构图。

%% Load FEM model
model=mphload('periodic_pipe_cell.mph');
kz=0:0.05:1;
for n=1:1:length(kz)
    str=num2str(kz(n));
    model.variable('var1').set('kz', str);
    model.sol('sol1').runAll;
    model.result('pg1').run;
    [sz,ndofs,data,name,type]=mphgetp(model);
    freqx(:,n)=data/2/pi;
end
figure;
plot(kz,freqx,'b-');
hold off


图8
二、有限周期充液管路声振频率响应

图9
建模同无限周期一样, 用comsol打开声固耦合模块,建立有限元模型如图9所示。主要是输出边界条件，一是声压边界条件，如图10所示，二是结构边界条件，如图11所示。最后，设定求解器，如图12，便可进行声振频率响应的计算，如图13和14所示。
  
  
图10

  
图11


图12

图13有限(五个周期单元)充水周期管路系统声传递损失；虚线：硬声场边界条件，实线：声固耦合边界条件；激励源为入水口处的白噪声，出水口处拾取声压信号，颜色带表示带隙，即声压衰减频带.

图14有限(五个周期单元) 充水周期管路系统结构振动频响曲线；点划线：入水口处只施加白噪声激励源，虚线：入水口处只施加振动激励源，实线：入水口处同时施加白噪声和振动激励源；出水口处拾取振动信号，颜色带表示带隙，即结构振动衰减频带.


[1] Zhi GuoWang, Sam Hyeon Lee, Chul Koo Kim, Choon Mahn Park, Kyun Nahm, S A Nikitov, Effective medium theory of the one-dimensional resonance phononic crystal, Journal of Physics: Condensed Matter, 20 (2008) 055209.
[2] Huijie Shen, Jihong Wen, Dianlong Yu, Meisam Asgari, Xisen Wen, Control of sound and vibration of fluid-filled cylindrical shells via periodic design and active control, Journal of Sound and Vibration, 332(2013) 4193–4209.
[3]Zhi Guo Wang, Sam Hyeon Lee, Chul Koo Kim, Choon Mahn Park, Kyun Nahm, S. A. Nikitov, Acoustic wave propagation in one-dimensional phononic crystals containing Helmholtz resonators, Journal of Applied Physics, 103, 064907 (2008).
[4]Huijie Shen, MichaelP.Païdoussis, Jihong Wen, Dianlong Yu, Xisen Wen, The beam-mode stability of periodic functionally-graded-material shells conveying fluid, Journal of Sound and Vibration 333 (2014) 2735–2749.
[5]Huijie Shen, Jihong Wen, Dianlong Yu, Bo Yuan, Xisen Wen,Stability of fluid-conveying periodic shells on an elastic foundation with external loads, Journal of FLuids and Structures, 2014, http://dx.doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2014.01.004.
[6] Huijie Shen, Jihong Wen, Dianlong Yu, Xisen Wen, Stability of clamped-clamped periodic functionally graded material shells conveying fluid, Journal of Vibration and Control, 2014, DOI: 10.1177/1077546313520026.
[7]Huijie Shen, Jihong Wen, Michael P. Paidoussis, Dianlong Yu, Meisam Asgari, Xisen Wen, Control of sound and vibration for cylindrical shells by utilizing a periodic structure of functionally graded material, Physics Letters A, 376 (2012) 3351–3358.

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新手上路，不知图片怎么上传？

allenys

楼主能不能发个附件，让我们大家学习一下~

billions1943

加油呢 ， 我最近看看这个能带结构

LeeLee

楼主能不能发个附件，让我们大家学习一下

我行我酷

强烈需求附件