CN109410906B - 局域共振声子晶体结构及运用该结构的隔音墙板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种局域共振声子晶体结构，包括方形外框架，方形外框架的中央设有方形散射体，方形外框架内侧壁与方形散射体侧壁之间分别连接有至少两个第一弹性梁和至少两个第二弹性梁，至少两个第一弹性梁与至少两个第二弹性梁围绕于方形散射体的中心交错且间隔排列设置，第一弹性梁包括依次固定连接的第一连接段、第一倾斜段以及第一蛇形段，第二弹性梁包括连接体、左梁体、以及与左梁体成对称设置右梁体，方形外框架、第一弹性梁与第二弹性梁三者之间一体设置且材料为有机玻璃，方形散射体的材料为氮化硅陶瓷。本发明具有以下优点和效果：本发明所提出的局域共振声子晶体结构具有良好的中频宽带隙特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种声学功能材料结构设计领域，特别涉及一种局域共振声子晶体结构及运用该结构的隔音墙板。
背景技术
随着生活水平的提高，各行各业都有抒发压力的方法，而听歌剧成为社会上流人士的兴趣爱好，歌剧院的整体隔音效果会影响周边居民的正常生活。因此，歌剧院在建造过程中需要大量使用隔音材料，现今的歌剧院隔音材料主要有：(1)剧院布艺软包吸音板；(2)剧院聚酯纤维吸音板；（3）地面隔音建筑垫；（4）玻璃隔音棉等。以上隔音材料对0Hz～1000Hz低频范围的声音具有良好的隔断效果。然而，歌剧院隔音墙壁对高音部分的隔断效果有待提高，迫切需要新型声学功能材料结构。
近些年来，声学功能材料得到越来越多的学者关注，声子晶体就是其中发展很快的一种。声子晶体由两种或者以上的材料按照周期性排列的一种人工复合材料。其可以产生一段或者多段禁止弹性波通过的频率范围，这个频率范围就称为带隙。声子晶体的带隙特性给声音隔断开拓了一个新的思路。
歌剧院的高音绝大部分处于中频范围，女生高音可达2000Hz，男生高音可达1100Hz。若能完全隔断1100Hz～2000Hz内的高音部分的中频噪声，将提升歌剧院隔音效果，所以要求声子晶体的带隙也要在中频范围内。根据带隙频率所对应的波长与晶格常数的比例关系，声子晶体可以分为布拉格散射型和局域共振型。前者主要是结构的周期性起着主导作用,当入射弹性波的波长与结构的特征长度(晶格常数) 相近时,将受到结构强烈的散射；而后者主要是单个散射体的共振特性起主导作用。布拉格声子晶体是基于布拉格散射机理，其共振频率与结构的特征长度密切相关，要使其带隙处于中频范围内，其特征长度会适中，因此应用前景并不宽阔。而同样尺寸的局域共振型声子晶体比布拉格散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级，非常适合进行声学功能材料结构设计，具有广阔的应用前景。
传统的局域共振声子晶体的低频带隙的宽度都很有限。为了获取更低更宽的带隙，越来越多的学者对其进行了研究，也进而提出了多种结构形式的单胞结构。因此，设计一种可以获得中频宽带隙特性的局域共振声子晶体，在隔音方面有着良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种局域共振声子晶体结构，该局域共振声子晶体结构可以获得中频宽带隙特性，在隔音方面有着良好的前景。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种局域共振声子晶体结构，包括方形外框架，所述方形外框架的中央设有将方形外框架的轮廓等比缩小的方形散射体，所述方形外框架内侧壁与方形散射体侧壁之间分别连接有至少两个第一弹性梁和至少两个第二弹性梁，至少两个所述的第一弹性梁与至少两个所述的第二弹性梁围绕于方形散射体的中心交错且间隔排列设置，所述第一弹性梁包括依次固定连接的第一连接段、第一倾斜段以及第一蛇形段，所述第二弹性梁包括连接体、左梁体、以及与左梁体成对称设置右梁体，所述连接体分别与左梁体和右梁体固定连接，所述左梁体与右梁体之间间隔设置，所述左梁体包括第二连接段以及与第二连接段固定连接的折线段，所述方形外框架、第一弹性梁与第二弹性梁三者之间一体设置且材料为有机玻璃，所述方形散射体的材料为氮化硅陶瓷。
进一步设置为：所述第一蛇形段包括依次连接的若干折叠支段，相邻所述折叠支段之间相互垂直，所述折叠支段的数量为十段且依次分别为第一折叠支段、第二折叠支段、第三折叠支段、第四折叠支段、第五折叠支段、第六折叠支段、第七折叠支段、第八折叠支段、第九折叠支段以及第十折叠支段，所述第一折叠支段的长度小于第三折叠支段的长度、第三折叠支段的长度小于第五折叠支段的长度、第五折叠支段的长度小于第七折叠支段的长度、第七折叠支段的长度小于第九折叠支段的长度，所述第二折叠支段、第四折叠支段、第六折叠支段、第八折叠支段与第十折叠支段的长度均相等。
进一步设置为：所述折线段的形状为左右折叠的折线形，所述折线段包括依次连接的若干折线支段，相邻所述折线支段之间的夹角为锐角，所述折线支段的数量为五段且依次分别为第一折线支段、第二折线支段、第三折线支段、第四折线支段以及第五折线支段。
进一步设置为：所述方形外框架与方形散射体的截面形状均为正方形，所述方形外框架的边长为22mm、厚度为0.5mm、宽度为0.5mm，第一弹性梁与第二弹性梁的厚度和宽度均为0.5mm，所述方形散射体的边长为7.5mm，所述连接体的形状为Y字型，所述连接体包括V字型分支部以及直线形主体部，所述分支部的边长为2mm。主体部的长度为2mm。
进一步设置为：所述第九折叠支段的长度为6.5mm，所述第五折线支段的长度为5mm，所述第七折叠支段的长度为3.25mm，所述第五折叠支段的长度为3mm，所述第一折叠支段的长度为2.5mm，所述第一倾斜段的长度为1.5mm，所述第四折线支段的长度为4mm，所述第三折线支段的长度为4mm，所述第二折线支段的长度为2mm，所述第一折线支段的长度为2mm。
本发明的另一目的是提供一种可有效隔绝歌剧院内中频噪声的隔音墙板。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种隔音墙板，包括局域共振声子晶体结构，所述局域共振声子晶体结构沿截面的朝向延伸设置形成一长条形，所述局域共振声子晶体结构沿垂直于延伸方向排列设置有若干条，相邻所述局域共振声子晶体结构之间一体设置，若干所述的局域共振声子晶体结构形成一结构层，所述的结构层设置有至少两层，相邻所述结构层之间一体设置。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的局域共振声子晶体结构具有良好的中频宽带隙特性，该声子晶体以正方形晶格形式排列成隔音墙板，具有隔绝歌剧院内中频噪声的能力，将为歌剧院的周边居民的提供一个安静的生活工作环境。
附图说明
图1为实施例一的立体图；
图2为实施例一的主视图；
图3为实施例二的立体图；
图4为实施例一的材料属性图；
图5为实施例一的能带结构图；
图6为实施例一含微腔结构声子晶体的传输谱图。
图中：1、方形外框架；2、方形散射体；3、第一弹性梁；31、第一连接段；32、第一倾斜段；33、第一蛇形段；331、第一折叠支段；332、第二折叠支段；333、第三折叠支段；334、第四折叠支段；335、第五折叠支段；336、第六折叠支段；337、第七折叠支段；338、第八折叠支段；339、第九折叠支段；3310、第十折叠支段；4、第二弹性梁；41、连接体；411、分支部；412、主体部；42、左梁体；421、第二连接段；422、折线段；51、第一折线支段；52、第二折线支段；53、第三折线支段；54、第四折线支段；55、第五折线支段；43、右梁体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一
参考图1和图2，一种局域共振声子晶体结构，包括方形外框架1，方形外框架1的中央设有将方形外框架1的轮廓等比缩小的方形散射体2，方形外框架1与方形散射体2的截面形状均为正方形；方形外框架1的内侧壁与方形散射体2的侧壁之间分别连接有至少两个第一弹性梁3和至少两个第二弹性梁4，第一弹性梁3与第二弹性梁4的数量均优选为四个。四个第一弹性梁3与四个第二弹性梁4围绕于方形散射体2的中心交错且间隔排列设置，第一弹性梁3包括依次固定连接的第一连接段31、第一倾斜段32以及第一蛇形段33，第一连接段31、第一倾斜段32以及第一蛇形段33三者之间一体设置；第二弹性梁4包括连接体41、左梁体42、以及与左梁体42成对称设置右梁体43，连接体41的形状为Y字型，连接体41包括V字型分支部411以及连接分支部411相交位置的直线形主体部412，分支部411与主体部412之间一体设置，主体部412的自由端与方形外框架1内侧壁的顶点位置固定连接。分支部411的两端分别与左梁体42和右梁体43固定连接，左梁体42与右梁体43之间间隔设置。由于左梁体42与右梁体43成对称设置，故本申请只对左梁体42的具体结构进行说明，左梁体42包括第二连接段421以及与第二连接段421固定连接的折线段422；方形外框架1、第一弹性梁3与第二弹性梁4三者之间一体设置且材料为有机玻璃，方形散射体2的材料为氮化硅陶瓷。
第一蛇形段33包括依次连接的若干折叠支段，相邻折叠支段之间相互垂直，折叠支段的数量为十段且依次分别为第一折叠支段331、第二折叠支段332、第三折叠支段333、第四折叠支段334、第五折叠支段335、第六折叠支段336、第七折叠支段337、第八折叠支段338、第九折叠支段339以及第十折叠支段3310。第一折叠支段331的长度小于第三折叠支段333的长度、第三折叠支段333的长度小于第五折叠支段335的长度、第五折叠支段335的长度小于第七折叠支段337的长度、第七折叠支段337的长度小于第九折叠支段339的长度；第二折叠支段332、第四折叠支段334、第六折叠支段336、第八折叠支段338与第十折叠支段3310的长度均相等，第一折叠支段331、第二折叠支段332、第三折叠支段333、第四折叠支段334、第五折叠支段335、第六折叠支段336、第七折叠支段337、第八折叠支段338、第九折叠支段339以及第十折叠支段3310一体设置。
第十折叠支段3310的自由端与方形外框架1的内侧壁固定连接且与之垂直，第一折叠支段331的自由端与第一倾斜段32的一端固定连接、第一倾斜段32的另一端与第一连接段31的一端固定连接、第一连接段31的另一端与方形散射体2的侧壁固定连接且与之垂直。
折线段422的形状为左右折叠的折线形，折线段422包括依次连接的若干折线支段，相邻折线支段之间的夹角为锐角，折线支段的数量为五段且依次分别为第一折线支段51、第二折线支段52、第三折线支段53、第四折线支段54以及第五折线支段55，第一折线支段51、第二折线支段52、第三折线支段53、第四折线支段54以及第五折线支段55一体设置。第一折线支段51的自由端与第二连接段421的一端固定连接、第二连接段421的另一端与方形散射体2的侧壁固定连接且与之垂直。
方形外框架1的边长为22mm、厚度为0.5mm、宽度为0.5mm，第一弹性梁3与第二弹性梁4的厚度和宽度均为0.5mm，方形散射体2的边长为7.5mm，分支部的边长为2mm，主体部的长度为2mm。第九折叠支段339的长度为6.5mm，第五折线支段55的长度为5mm，第七折叠支段337的长度为3.25mm，第五折叠支段335的长度为3mm，第一折叠支段331的长度为2.5mm，第一倾斜段32的长度为1.5mm，第四折线支段54的长度为4mm，第三折线支段53的长度为4mm，第二折线支段52的长度为2mm，第一折线支段51的长度为2mm。
为了清楚表示将方形外框架1的边长记作a、方形散射体2的边长记作b、方形外框架1的内圈直径记作c、主体部的长度记作d、分支部的边长记作e、第九折叠支段339的长度记作f、第五折线支段55的长度记作g、第七折叠支段337的长度记作h、第五折叠支段335的长度记作i、第一折叠支段331的长度记作j、第一倾斜段32的长度记作k、第四折线支段54的长度记作l、第三折线支段53的长度记作m、第二折线支段52的长度记作n、第一折线支段51的长度记作o。a=22mm，b=7.5mm，c=21mm，d=2mm，e=2mm，f=6.5mm，g=5mm，h=3.25mm，i=3mm，j=2.5mm，k=1.5mm，l=4mm，m=4mm，n=2mm，o=2mm。
通过限元法计算了该局域共振声子晶体结构的带隙，该局域共振声子晶体结构使用的材料参数如表4所示，结构尺寸参数与上文所述一致。
图5显示的是计算得出的带隙图。由图可知，该局域共振声子晶体在0Hz～3600Hz的范围内一共有8条共振带，这8条共振带形成了两条共振带隙。第一条共振带隙范围为1200Hz～1600Hz，第二条共振带隙范围为1600Hz～2300Hz。这两条共振带隙均基本上处于中频范围内，满足歌剧院内1100Hz～2000Hz范围内的中频噪声隔断需求。且该局域共振声子晶体结构在1100Hz～2000Hz范围内的中频噪声隔断领域也有广阔的应用前景。
为了验证该结构是否会对歌剧院内的中频噪音具有衰减作用，利用有限元方法计算了该结构的传输谱。首先建立一个在x方向具有20个周期、y方向具有2两个周期单元结构的模型。再在y方向上端施加一个值为0.001m/s2的加速度，扫描频率从1Hz到3600Hz。在y方向上端任意选取一个监测点，监测其加速度幅值随频率的变化。
根据监测点的变化得出的传输谱图如图6所示。传输谱中存在一个频率范围，在这个频率范围内，其声学衰减是最大的，称之为完全带隙，传输谱的峰值表示衰减的程度。
由图6可知，最小起始频率与带隙计算的结果基本一致。1200Hz后，透射系数明显衰减，在1250Hz处衰减到0dB，此后，一直到2300Hz以内都是处于0dB以下，和中频噪音频率基本吻合，且与第二条带隙基本一致。而到了500hz～1000hz有明显增强，与低频噪音频率基本吻合。
综上所述，带隙的起始于截止频率与带隙计算的结果基本吻合，也证实了该结构可以用于衰减歌剧院内1100Hz～2000Hz范围内的中频噪声。
实施例二
参考图3，一种隔音墙板，包括局域共振声子晶体结构，所述局域共振声子晶体结构沿截面的朝向延伸设置形成一长条形，所述局域共振声子晶体结构沿垂直于延伸方向排列设置有若干条，相邻所述局域共振声子晶体结构之间一体设置，若干所述的局域共振声子晶体结构形成一结构层，所述的结构层设置有至少两层，相邻所述结构层之间一体设置。
本发明所提出的局域共振声子晶体结构具有良好的中频宽带隙特性，该声子晶体以正方形晶格形式排列成隔音墙壁，具有隔绝歌剧院内中频噪声的能力，该结构与现今常用的歌剧院隔音材料结构对0Hz～1000Hz低频范围的声音隔断作用相互补充，将为歌剧院的周边居民的提供一个安静的生活工作环境。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (6)
1.一种局域共振声子晶体结构，其特征在于：包括方形外框架(1)，所述方形外框架(1)的中央设有将方形外框架(1)的轮廓等比缩小的方形散射体(2)，所述方形外框架(1)内侧壁与方形散射体(2)侧壁之间分别连接有至少两个第一弹性梁(3)和至少两个第二弹性梁(4)，至少两个所述的第一弹性梁(3)与至少两个所述的第二弹性梁(4)围绕于方形散射体(2)的中心交错且间隔排列设置，所述第一弹性梁(3)包括依次固定连接的第一连接段(31)、第一倾斜段(32)以及第一蛇形段(33)，所述第二弹性梁(4)包括连接体(41)、左梁体(42)、以及与左梁体(42)成对称设置右梁体(43)，所述连接体(41)分别与左梁体(42)和右梁体(43)固定连接，所述左梁体(42)与右梁体(43)之间间隔设置，所述左梁体(42)包括第二连接段(421)以及与第二连接段(421)固定连接的折线段(422)，所述方形外框架(1)、第一弹性梁(3)与第二弹性梁(4)三者之间一体设置且材料为有机玻璃，所述方形散射体(2)的材料为氮化硅陶瓷。
2.根据权利要求1所述的局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述第一蛇形段(33)包括依次连接的若干折叠支段，相邻所述折叠支段之间相互垂直，所述折叠支段的数量为十段且依次分别为第一折叠支段(331)、第二折叠支段(332)、第三折叠支段(333)、第四折叠支段(334)、第五折叠支段(335)、第六折叠支段(336)、第七折叠支段(337)、第八折叠支段(338)、第九折叠支段(339)以及第十折叠支段(3310)，所述第一折叠支段(331)的长度小于第三折叠支段(333)的长度、第三折叠支段(333)的长度小于第五折叠支段(335)的长度、第五折叠支段(335)的长度小于第七折叠支段(337)的长度、第七折叠支段(337)的长度小于第九折叠支段(339)的长度，所述第二折叠支段(332)、第四折叠支段(334)、第六折叠支段(336)、第八折叠支段(338)与第十折叠支段(3310)的长度均相等。
3.根据权利要求2所述的局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述折线段(422)的形状为左右折叠的折线形，所述折线段(422)包括依次连接的若干折线支段，相邻所述折线支段之间的夹角为锐角，所述折线支段的数量为五段且依次分别为第一折线支段(51)、第二折线支段(52)、第三折线支段(53)、第四折线支段(54)以及第五折线支段(55)。
4.根据权利要求3所述的局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述方形外框架(1)与方形散射体(2)的截面形状均为正方形，所述方形外框架(1)的边长为22mm、厚度为0.5mm、宽度为0.5mm，第一弹性梁(3)与第二弹性梁(4)的厚度和宽度均为0.5mm，所述方形散射体(2)的边长为7.5mm，所述连接体(41)的形状为Y字型，所述连接体(41)包括V字型分支部(411)以及直线形主体部(412)，所述分支部(411)的边长为2mm，所述主体部(412)的长度为2mm。
5.根据权利要求4所述的局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述第九折叠支段(339)的长度为6.5mm，所述第五折线支段(55)的长度为5mm，所述第七折叠支段(337)的长度为3.25mm，所述第五折叠支段(335)的长度为3mm，所述第一折叠支段(331)的长度为2.5mm，所述第一倾斜段(32)的长度为1.5mm，所述第四折线支段(54)的长度为4mm，所述第三折线支段(53)的长度为4mm，所述第二折线支段(52)的长度为2mm，所述第一折线支段(51)的长度为2mm。
6.一种隔音墙板，包括有上述权利要求1-5中所述的局域共振声子晶体结构，其特征在于：所述局域共振声子晶体结构沿截面的朝向延伸设置形成一长条形，所述局域共振声子晶体结构沿垂直于延伸方向排列设置有若干条，相邻所述局域共振声子晶体结构之间一体设置，若干所述的局域共振声子晶体结构形成一结构层，所述的结构层设置有至少两层，相邻所述结构层之间一体设置。
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