CN103730108A - 多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，所述功能材料结构的孔隙率大于50%，是由旋转对称单元周期排列而成；其中，旋转对称单元包括四条具有弯折角度的臂共端点形成，两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10。四条臂的弯折角相同，在80°和150°之间。本发明提出的声子功能材料结构具有较大的孔隙率；通过引入旋转对称单元，可以在多个频率段产生完全带隙；通过调节旋转对称单元的结构形状和几何尺寸可以调整带隙的宽度和位置，进而满足不同的声学特性要求；结构中包含周期排列的旋转对称单元，加工简单。

Description

多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构及其制作方法

技术领域

本发明属于声学，涉及了机械、凝聚态物理、力学和材料学等领域。尤其是涉及一种具有多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构以及制作方法。

背景技术

声子晶体，作为一种人工周期功能材料，其研究引起了国内外学者的广泛关注。声子晶体独特的功能是可能会产生声子带隙，即频率在带隙范围内的弹性波的传播将被被抑制。带隙的产生机理通常有两种方式，一种是由结构的周期作用占主导，另外一种是由单个散射体的Mie散射占主导。声子晶体的带隙特性，使其在隔音、降噪和减震，以及新型声学设备的制作方面具有广阔的应用前景。因此，声子晶体已成为力学、声学、材料学、物理学等领域共同关注的研究热点。

调制带隙对声子晶体的广泛实际应用具有重要意义。影响带隙的参数主要有两种，材料参数和结构参数。由板、梁、杆等微元件按照一定规则周期排列构成的空间桁架结构或格栅结构等轻质微结构材料，其带隙特性主要由结构参数所决定。因为制作简单而备受关注。该类材料通常孔隙率较大，孔隙结构作为有用的结构存在。孔隙的尺寸、数量和分布是影响多孔材料性能的主要因素，而这些特征可以通过制备工艺来调整控制。相对连续介质材料而言,多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点,因而在航空、航天、机械、建筑等诸多领域具有广泛的应用前景。

与声子晶体类似，大孔隙率声子功能材料(多孔材料)中传播的弹性波在一定的频率范围内必然呈现带隙特征。大量科技工作者对多孔声子晶体进行了研究，但主要集中在小孔隙率情况，对大孔隙率声子晶体的研究较少，且未发现完全带隙。

针对现有技术存在的上述不足，提出本发明。

发明内容

为了克服现有结构难以产生完全带隙的不足，本发明的目的在于提供一种具有多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构。该结构孔隙率较大，因而结构轻；该结构能产生多频段完全带隙，其带隙较宽；通过调节结构的几何参数可以调整带隙的宽度和位置，进而满足不同的声学特性要求。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：一种多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，所述功能材料结构的孔隙率大于50%，是由旋转对称单元周期排列而成；其中，旋转对称单元包括四条具有弯折角度的臂共端点形成，两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10。四条臂的弯折角相同，在80°和150°之间。

本发明还提供了多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构的制作方法，所述结构各处壁厚相同，包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率及各处壁厚相同的要求，确定旋转对称单元的弯折角，弯折角度在80°和150°之间；两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10；

步骤2），根据步骤1）中的几何参数，确定结构中孔的截面几何参数；

步骤3），在基体材料上周期钻出具有步骤2）中所确定截面几何参数的孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

本发明另外提供了结构各处壁厚不相同的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构的制作方法，由周期排列的十字形孔组成；包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率，确定十字形孔的长度、宽度；十字形孔的长度大于晶格常数；

步骤2），确定十字形孔的旋转角度，使得两个相邻十字孔的连线与其最近的十字孔的角点的距离大于或等于晶格常数的1/10；

步骤3），在基体材料上周期钻出十字形孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

本发明的有益效果是：本发明提出的声子功能材料结构具有较大的孔隙率；通过引入旋转对称单元，可以在多个频率段产生完全带隙；通过调节旋转对称单元的结构形状和几何尺寸可以调整带隙的宽度和位置，进而满足不同的声学特性要求；结构中包含周期排列的旋转对称单元，加工简单。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1a、图1b是两种不同制作类型的大孔隙率声子功能材料结构；

图2a、图2b是两种大孔隙率声子功能材料结构对应的旋转对称单元截面图；

图3是第一个实施例的能带结构图(图1a的大孔隙率声子晶体功能材料结构,且各处壁厚相同)；

图4是第二个实施例的能带结构图(图1b的大孔隙率声子晶体功能材料结构，且各处壁厚相同)；

图5是第三个实施例的能带结构图(图1a的大孔隙率声子晶体功能材料结构，且各处壁厚不同)；

图6是第四个实施例的能带结构图(图1b的大孔隙率声子晶体功能材料结构，且各处壁厚不同)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行说明。

如图1a、图1b、图2a、图2b所示出的，本发明的一种多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，功能材料结构的孔隙率大于50%，是由旋转对称单元周期排列而成；其中，旋转对称单元包括四条具有弯折角度的臂共端点形成，两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10。四条臂的弯折角相同，在80°和150°之间。

实施例1：

图1a示出了结构各处壁厚相同的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，制作方法包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率及各处壁厚相同的要求，确定旋转对称单元的弯折角，弯折角度在80°和150°之间；两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10；

步骤2），根据步骤1）中的几何参数，确定结构中孔的截面几何参数；

步骤3），在基体材料上周期钻出具有步骤2）中所确定截面几何参数的孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

图3示出了图1a结构的大孔隙率声子功能材料结构的能带结构图，其孔隙率为80%。该结构各处壁厚相同。在声子功能材料能带结构图中，横坐标为波矢，纵坐标为频率；通常使用基体中波长等于晶格常数的波所对应的频率(c_ta，c_t为基体中横波波速，a为图1所示声子功能材料的晶格常数，即相邻孔中心的距离)作为基准对本征频率(Hz)的具体值进行简约化，得到无量纲的约化频率或简约频率(记为Ω)。从能带结构图可知，该结构产生三条完全带隙，带隙无量纲频率范围分别是0.35＜Ω＜0.45、0.55＜Ω＜0.56以及0.59＜Ω＜0.62。

实施例2：

图1b示出了结构各处壁厚相同的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，制作方法包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率及各处壁厚相同的要求，确定旋转对称单元的弯折角，弯折角度在80°和150°之间；两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10；

步骤2），根据步骤1）中的几何参数，确定结构中孔的截面几何参数；

步骤3），在基体材料上周期钻出具有步骤2）中所确定截面几何参数的孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

图4示出了采用图1b结构各处壁厚相同的大孔隙率声子功能材料结构的能带结构图，其孔隙率为90%。从能带结构图可知，该结构产生五个完全带隙，带隙无量纲频率范围分别是0.12＜Ω＜0.17、0.26＜Ω＜0.38、0.48＜Ω＜0.49、0.65＜Ω＜0.79和0.79＜Ω＜0.86。

实施例3：

本实施例与实施例1结构相同，公开了结构各处壁厚不相同的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，由周期排列的十字形孔组成；制作方法包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率，确定十字形孔的长度、宽度；十字形孔的长度大于晶格常数；

步骤2），确定十字形孔的旋转角度，使得两个相邻十字孔的连线与其最近的十字孔的角点的距离大于或等于晶格常数的1/10；

步骤3），在基体材料上周期钻出十字形孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

图5示出了本实施例结构壁厚不相同的大孔隙率声子功能材料结构的能带结构图，其孔隙率为80%。该结构通过在基体材料中钻十字形孔而成。该结构产生四个完全带隙，带隙无量纲频率范围分别是0.15＜Ω＜0.27、0.33＜Ω＜0.41、0.48＜Ω＜0.62和0.76＜Ω＜0.80。

实施例4：

本实施例与实施例2结构相同，公开了结构各处壁厚不相同的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，由周期排列的十字形孔组成；制作方法包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率，确定十字形孔的长度、宽度；十字形孔的长度大于晶格常数；

步骤2），确定十字形孔的旋转角度，使得两个相邻十字孔的连线与其最近的十字孔的角点的距离大于或等于晶格常数的1/10；

步骤3），在基体材料上周期钻出十字形孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

图6示出了本实施例结构壁厚不相同的大孔隙率声子功能材料结构的能带结构图，其孔隙率为88%。该结构产生五个完全带隙，带隙无量纲频率范围分别是0.07＜Ω＜0.17、0.29＜Ω＜0.32、0.43＜Ω＜0.54、0.57＜Ω＜0.68和0.76＜Ω＜0.81。

由上述分析可以看出，根据本发明所设计的声子功能材料结构，具有较大的孔隙率，可以产生多频段的宽带隙；通过调节结构形状和几何尺寸可以调整带隙的宽度和位置，进而满足不同的声学特性要求。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的显而易见的变动，以及其它不脱离本发明实质的改动，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，其特征在于，所述功能材料结构的孔隙率大于50%，是由旋转对称单元周期排列而成；其中，旋转对称单元包括四条具有弯折角度的臂共端点形成，两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10。

2.根据权利要求1所述的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构，其特征在于：四条臂的弯折角相同，在80°和150°之间。

3.一种权利要求1所述的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构的制作方法，其特征在于，所述结构各处壁厚相同；包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率及各处壁厚相同的要求，确定旋转对称单元的弯折角，弯折角度在80°和150°之间；两个相邻弯折点的距离在坐标轴上的投影大于或等于晶格常数的1/10；

步骤2），根据步骤1）中的几何参数，确定结构中孔的截面几何参数；

步骤3），在基体材料上周期钻出具有步骤2）中所确定截面几何参数的孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

4.一种权利要求1所述的多频段宽带隙的大孔隙率声子功能材料结构的制作方法，其特征在于，所述结构各处壁厚不相同，由周期排列的十字形孔组成；包括以下步骤：

步骤1），根据结构的孔隙率，确定十字形孔的长度、宽度；十字形孔的长度大于晶格常数；

步骤2），确定十字形孔的旋转角度，使得两个相邻十字孔的连线与其最近的十字孔的角点的距离大于或等于晶格常数的1/10；

步骤3），在基体材料上周期钻出十字形孔，孔与孔中心的距离为晶格常数，形成大孔隙率声子功能材料结构。

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