CN109036367B - 一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体。该声子晶体由多个原胞周期性排列构成，原胞由六个相同的二维手性结构组成；手性结构包括一个圆盘和四根连杆，连杆的轴线与圆盘的轴线正交，且连杆一端与圆盘圆周相接，四根连杆围绕圆盘呈旋转对称分布；六个二维手性结构通过连杆端部连接形成六面体，两个相互平行面上的手性结构旋转方向相反，相邻的两个手性结构相互垂直。本发明的声子晶体不仅具有低频宽带隙性质的能带结构，而且制备简单，降低了结构复杂度，提高了结构的减振稳定性，为减振降噪提供一种新途径。

Description

一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体
技术领域
本发明属于噪声吸收、振动控制的声学功能材料领域，具体涉及为一种利用振动模式分离产生低频宽带隙的三维声子晶体。
背景技术
目前，随着现代工业的发展，人类生活坏境中的噪声和振动问题日益突出。一方面，如何实现机电设备的减振降噪，保证机电设备安全、长寿命地工作是我们亟待解决的问题；另一方面，大型机械设备的作业，带来的振动问题，不仅会对居住的楼房产生不可逆破坏，更会对人类的身体健康产生影响。如何找到有效的抑制振动、降低噪音的办法，已经成为目前的一个重要课题。然而，目前的减振降噪材料大多是常规的阻尼性材料，一般包括单层、中空结构、或者依靠填充某些高性能纤维、高阻尼额聚合物，通过某些特殊的手段进行混合行程的夹层结构。这些设计和制备是根据质量定律和材料的内阻尼定律，不仅效果不明显，材料选择范围较窄，而且难于设计出对于特定频率的弹性波进行吸收的结构。
随着科学技术的发展，人类在光子晶体上的研究已经取得了突破性的成绩，由于声子晶体与光子晶体的相似性，声子晶体及其应用已经成为新的研究热点。声子晶体因为其存在着声波带隙，即在该频率范围内，弹性波不能穿过声子晶体，这就使得声子晶体在振动的抑制和声波的吸收方面有着广阔的应用前景。
近些年来，国内外学者在寻求带隙的声子晶体结构方面做了大量的研究。2000年，刘正猷(Physica B Physics of Condensed Matter,289(5485):1734.)利用局域共振的机理，设计的声子晶体可以对波长大于晶格尺寸两个数量级的弹性波进行控制。中国专利CN206946932U介绍了一种利用三维局域共振型声子晶体，打开了较宽的低频带隙。但是，这些发明的声子晶体不仅存在带隙频率不够宽的问题，还存在基体质量大、传统机加工复杂的困难。2016年，郑辉等研究了二维手性结构带隙和传输谱，发现该结构在某些频率存在带隙和较低的弹性波透过率，Korner(Applied Physics Letters,109(22):221907)制备了一种可以3D打印的单相材料的三维声子晶体，2017年，Corigliano(Applied Physics Letters,111(23):231902.)等利用振动模式分离的方法，设计了一种具有低频超宽带隙的三维声子晶体，这些研究虽然有效地降低了制造结构质量，符合轻量化要求的同时加宽了带隙，但是得到的第一带隙的频率都较高。所以，当前一大难点是如何在减小尺寸、结构的重量，实现方便制备的同时，实现低频、较宽的相对带隙(Δf/fc)的振动抑制，并把其用于减振降噪领域。
发明内容
为了克服现有结构中质量大、制备较复杂和难以获得足够低频宽带隙的技术问题，本发明提供一种利用振动模式分离打开低频带隙的声子晶体。
为了实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体，由多个原胞周期性排列构成，所述原胞由六个相同的二维手性结构组成；手性结构包括一个圆盘和四根连杆，连杆的轴线与圆盘的轴线正交，且连杆一端与圆盘圆周相接，四根所述连杆围绕所述圆盘呈旋转对称分布；六个二维手性结构通过连杆端部连接形成六面体，两个相互平行面上的手性结构旋转方向相反，相邻的两个手性结构相互垂直。
进一步地，所述圆盘和四根连杆均为同一种材料。
进一步地，所述连杆一端的外侧面与所述圆盘圆周相切。
进一步地，所述圆盘的半径大于声子晶体晶格常数的六分之一，圆盘的高度小于圆盘半径的五分之一。
进一步地，所述连杆的宽度小于圆盘半径的四分之一，连杆的厚度小于圆盘的厚度。
本发明提供的声子晶体与现有技术相比，在满足结构声学要求的前提下，采用单相材料，不引入散射体，减轻了结构的质量，减小了结构的尺寸，实现了小型化、轻量化，同时还获得了低频宽带隙，提高了结构的减振稳定性，为减振降噪提供一种新途径。另外，本发明的声子晶体结构可以利用光固化成型的3D打印技术，使其制备变得简单。
附图说明
图1为本发明实施例的声子晶体基本二维手性结构的(a)轴测图；(b)俯视图。
图2为本发明实施例的声子晶体原胞结构的(a)轴测图；(b)俯视图。
图3为本发明实施例的声子晶体原胞阵列示意图。
图4为本发明实施例的声子晶体结构的能带图。
图5为本发明实施例中利用有限元法计算得到的传输谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进一步说明，阐明本发明实质性特点和显著的进步。
图1(a)为声子晶体结构单胞模型中的基本二维手性结构，包括一个圆盘1和四根连杆2。如图1(b)所示，连杆2的轴线与圆盘1的轴线正交，且连杆2一端的外侧面与圆盘1的侧面相切，四根连杆2围绕圆盘1呈旋转对称分布在圆盘结构的侧面。圆盘1和四根连杆2为同一材料，具体由声学特性、和制备过程的要求来确定。
六个上述相同的二维手性结构构成立方体声子晶体结构的单胞模型，如图2(a)所示，为六面体，相互平行的两个面上手性的旋转方向相反。相邻的面的手性结构相互垂直，且相交于连杆2的端部。由声学特性的具体要求来确定晶格常数，圆盘1的半径需要大于晶格常数的六分之一，圆盘1的厚度需要小于圆盘半径的五分之一，连杆2的厚度小于圆盘1的厚度。如图2(b)所示，圆盘1厚度高出连杆2的部分朝向单胞结构面外。
原胞按简单立方点阵周期性排布，构成三维声子晶体阵列如图3所示。
下面结合具体实例对本发明进一步阐述。
本实施例中，所有的结构采用的材料均为尼龙，杨氏模量E为2.5GPa，密度ρ为1150kg/m3，泊松比ν为0.4。
本实施例中，圆盘1的半径为晶格常数的四分之一，圆盘1的厚度为其半径的二十分之三，连杆2的厚度比圆盘1的厚度小0.5mm。进一步的，晶格常数a为41mm，手性结构边长H为40mm，圆盘1半径R为10mm，高度h为1.5mm，连杆2的宽度b为1.78mm，厚度t为1mm。建立以上确定尺寸的数字化模型，将文件导入光固化3D打印机中进行打印，软件自动生成支撑材料的位置。之后光固化3D打印机利用材料逐层叠加，进行三维实体模型的打印，打印完成后，手工去除支撑材料，在进行后续固化后得到最后实体模型，即制备得到满足既定要求的三维单相声子晶体。
本实施例的能带结构如图4所示，图中横坐标为波矢，纵坐标为频率，阴影部分即为带隙，在6000Hz内得到三条明显的带隙，分别为498Hz～853Hz、1865Hz～2768Hz、3010Hz～6428Hz，其带隙中心频率分别为675.5Hz、2316Hz、4719Hz，带隙宽度分别为355Hz、903Hz、3418Hz，相对带隙宽度(Δf/fc)分别为53％、38％、72％。
图5为本实施例利用有限元法计算的传输谱，各阶带隙的透过率可达-42dB、-91dB、-125dB，相对其它频率透过率明显降低。本实施例具有较好的阻尼特性，同时，在色散曲线对应的特定频率有很好的吸收弹性波的特点。
综上所述，本发明设计的声子晶体结构，不仅在满足小尺寸、轻量化的要求下获得了低频宽带隙的能带结构，而且利用光固化3D打印技术使其制备三维声子晶体更为简单方便。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本实施例。凡在本实施例的精神和原则之内做的任何修改、同等替换和改进，均应包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体，其特征在于，声子晶体由多个原胞周期性排列构成，所述原胞由六个相同的二维手性结构组成；手性结构包括一个圆盘和四根连杆，连杆的轴线与圆盘的轴线正交，且连杆一端与圆盘圆周相接，四根所述连杆围绕所述圆盘呈旋转对称分布；六个二维手性结构通过连杆端部连接形成六面体，两个相互平行面上的手性结构旋转方向相反，相邻的两个手性结构相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体，其特征在于：所述圆盘和四根连杆均为同一种材料。
3.根据权利要求1所述的一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体，其特征在于：所述连杆一端的外侧面与所述圆盘圆周相切。
4.根据权利要求1所述的一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体，其特征在于：所述圆盘的半径大于声子晶体晶格常数的六分之一，圆盘的高度小于圆盘半径的五分之一。
5.根据权利要求1所述的一种用于减振降噪的低频宽带隙三维声子晶体，其特征在于：所述连杆的宽度小于圆盘半径的四分之一，连杆的厚度小于圆盘的厚度。
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