CN109632959A - 二维软材料声子晶体带隙的测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维软材料声子晶体带隙的测试系统，包括固定底座、加载模块及声学测试模块，加载模块设于固定底座上，包括手轮、位移数显卡尺、滑块I和滑块Ⅱ、滑轨、螺纹转轴、上下层夹具；声学测试模块包括激振杆、激振器、加速度传感器Ⅰ和加速度传感器Ⅱ、模/数转换器、函数信号发生器、功率放大器及计算机；本发明的装置是在传统波动测试技术的基础上，将拉伸加载和波动测试通过结构设计集成为一体，开发出的一套加载及测试可同时进行的测试系统，利用本发明二维软材料声子晶体带隙的测试系统，能够简单测得加载前后的方向带隙。该带隙测试系统组装方便、使用方法简单，可实现软材料的拉伸加载并进行实时的波动测试。
Description
技术领域
本发明属于软材料以及隔声减噪技术领域，涉及一种二维软材料声子晶体带隙的测试系统，该系统可通过机械加载实现软材料声子晶体带隙调控的波动测试，以研究二维软材料声子晶体变形特性、波动特性以及带隙特性。
背景技术
声子晶体是一种具有弹性波带隙特性的周期复合材料或结构，其最重要的特征是带隙频率范围内的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制，在隔声减噪等领域具有丰富的工程应用前景。
近年来，关于声子晶体的研究受到国内外学者越来越多的关注，其中，如何调控带隙(通过相关措施来改变带隙的频率范围)逐渐成为研究热点。通常情况下，声子晶体的带隙特性与周期单元的拓扑结构、周期性的布排方式(如正方形、矩形和三角形排布方式等)以及材料特性有关，调整这些参数可以改变带隙的位置及频率范围。传统的声子晶体常用硬材料制成，其局限在于很难通过改变几何参数来调控带隙的位置及频率范围，而用软材料(如橡胶、水凝胶、硅胶等)制成的声子晶体则可解决这一问题。软材料声子晶体利用软材料本身的超弹特性可使结构发生大范围的可逆弹性变形，同时改变了结构的几何构型及瞬时切向刚度，从而改变带隙的位置及范围。已有的研究发现，可通过对软材料施加外加机械载荷的方式来实现弹性波的调控，这种调控方式简单易行，并且能够反复地实施，为弹性波的调控提供了一种新思路，更为减振降噪、新型声学器件(如声子开关)设计等方面提供了参考。
对二维软材料声子晶体的带隙特性研究需要进行相应的波动实验，对激振力和声子晶体分别进行测量后输入到振动与噪声分析软件中完成数据分析，以便验证数值计算结果的正确性。目前，国内对二维软材料声子晶体的实验研究还很少，特别是对声子晶体加载同时进行波动实验的研究。为解决以上技术问题，本发明设计了一种测试二维软材料声子晶体带隙的系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种二维软材料声子晶体带隙的测试系统，以进行二维软材料声子晶体在受到拉伸/压缩载荷变形后带隙特性的实验测试，该系统将加载和波动实验结合在一起，能够方便地完成软材料声子晶体受机械载荷发生大变形后的波动实验。
本发明解决上述问题采用的技术方案如下：
一种二维软材料声子晶体带隙的测试系统，包括固定底座、加载模块及声学测试模块，加载模块设于固定底座上，包括控制手轮、位移数显卡尺、两个带螺纹的滑块-滑块I和滑块Ⅱ、滑轨、螺纹转轴、上下层夹具；声学测试模块包括激振杆、激振器、两个加速度传感器-传感器Ⅰ和传感器Ⅱ、模/数转换器、函数信号发生器、功率放大器及计算机；
所述的螺纹转轴、滑轨平行固定于固定底座上，螺纹转轴具有上下两段反向的螺纹，滑块I和滑块II均穿置于滑轨上，滑块Ⅰ与螺纹转轴的上段螺纹连接，滑块Ⅱ与螺纹转轴的下段螺纹连接，螺纹转轴端部与手轮相连接，位移数显卡尺的滑块固定在滑块Ⅰ或滑块Ⅱ上，下层夹具上下两端分别与滑块I、滑块II固定，上层夹具通过螺钉与螺帽将软材料声子晶体试件固定于下层夹具上；
所述的传感器Ⅰ、激振杆分别与软材料声子晶体中部的左、右边界相连，传感器Ⅱ固定在激振杆上，传感器I和传感器II均与模/数转换器相连接，模/数转换器与计算机相连接；所述的函数信号发生器、功率放大器、激振器依次相连；激振器与激振杆相装配。
本发明的有益效果是：
1)本发明的装置是在传统波动测试技术的基础上，将拉伸加载和波动测试通过结构设计集成为一体，开发出的一套加载及测试可同时进行的测试系统，利用本发明二维软材料声子晶体带隙的测试系统，能够简单测得加载前后的方向带隙。该带隙测试系统组装方便、使用方法简单，可实现软材料的拉伸加载并进行实时的波动测试。
2)本发明装置的适应性强，可适用于不同尺寸试样的测试；
3)加载模块的滑块上固定着可读取两滑块相对位移的数显，方便实验时对式样施加不同程度的位移载荷；且通过反向螺纹转轴的设计使得滑块Ⅰ和Ⅱ之间的相对位移为位移数显卡尺的两倍，简单易操控。
4)整个装置可通过螺丝固定在实验室光学平台上，使其在波动测试中具有更佳的稳定性，可进一步提高了实验数据的精确性。
附图说明
图1为本发明二维软材料声子晶体带隙的测试系统结构示意图；
图2(a)为加载模块的结构正视图，(b)为加载模块的右视图。
其中，1、固定底座，2、固定底座的螺丝及螺帽，3、滑块I，4、固定夹头与试件的螺丝及螺帽，5、加速度传感器I，6、软材料声子晶体试样，7、滑块II，8、滑轨，9、螺纹转轴，10、手轮，11、位移数显卡尺滑轨，12、位移数显卡尺滑块，13、位移数显，14、上层夹具，15、加速度传感器II，16、激振杆，17、激振器，18、功率放大器，19、函数信号发生器，20、模/数转换器，21、计算机，22、下层夹具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种二维软材料声子晶体带隙的测试系统，包括固定底座、加载模块及声学测试模块；
加载模块设于固定底座1上，包括手轮10、位移数显卡尺、两个带螺纹的滑块-滑块I 3和滑块Ⅱ7、滑轨8、螺纹转轴9、上层夹具14、下层夹具22；螺纹转轴9、滑轨8平行固定于固定底座1上，螺纹转轴9具有上下两段反向的螺纹，滑块I 3和滑块II 7均穿置于滑轨上，滑块Ⅰ与螺纹转轴的上段螺纹连接，滑块Ⅱ与螺纹转轴的下段螺纹连接，螺纹转轴端部与手轮10相连接，位移数显卡尺的滑块12固定在滑块Ⅰ或滑块Ⅱ上，下层夹具22上下两端分别与滑块I、滑块II固定，上层夹具14通过螺钉与螺帽将软材料声子晶体试件固定于下层夹具上；
声学测试模块包括激振杆16、激振器17、两个加速度传感器-传感器Ⅰ5和传感器Ⅱ15、模/数转换器20、函数信号发生器19、功率放大器18及计算机21；
本发明的操作过程如下所述：
(1)根据试件的尺寸，采用激光切割技术设计并切割相应尺寸的带孔亚克力上层夹具14和下层夹具22。
(2)将带螺纹的滑块I 3和带螺纹的滑块II 7上均用螺钉与螺帽4分别将上层夹具14、软材料声子晶体试样6以及下层夹具22相互连接固定。
(3)将加载装置的固定底座1用固定底座的螺丝2与实验平台连接固定。
(4)转动手轮10从而带动带螺纹的滑块I 3及带螺纹的滑块II 7，确定软材料声子晶体试样的初始位置后对位移数显进行清零操作。
(5)将激振杆16与激振器17相连，将软材料声子晶体试样6的右边界的中央与加速度传感器I 5相粘连，试样左边界中央与激振杆16相连，并在激振杆17上粘接着加速度传感器II 7。加速度传感器I 3和加速度传感器II 7均与模/数转换器20通过导线相连接，模/数转换器20与计算机21通过导线相连接。
(6)将函数信号发生器19与功率放大器18通过导线相连，功率放大器18再与激振器17通过导线相连接。
(7)转动加载模块的顶部手轮10对软材料声子晶体试样6施加既定的位移载荷，位移载荷的大小为位移数显13读数的两倍；
(8)确定好加载位移大小后，在函数信号发生器19中设置信号的幅值和频率并输出信号；调整功率放大器18的大小使信号幅值处于合理范围内；激振器17通过激振杆16对软材料声子晶体试件6给予激励；加速度传感器I 5和加速度传感器II 15分别接收输出和输入信号，信号通过模/数转换器20在计算机21中显示相应波形和数据；
(9)通过函数信号发生器19给予一定频率范围内的激励输入信号，通过在计算机21中振动与噪声分析软件处理获得声子晶体的透射谱、带隙的位置以及频率范围。所述的振动与噪声分析软件目前较为常用的是B&K公司的PULSE LabShop软件。
(10)结束某个位移加载条件下的波动测试实验后，若要进行其他加载大小情况下的波动实验，可继续转动手轮10，改变位移加载的量，重复步骤(8)至(9)即可。
(11)实验结束后，切断电源，将加速度传感器I 5、加速度传感器II 15分别从软材料声子晶体试样6和激振杆16上拆下，将软材料声子晶体试样6从简易加载模块上拆下，将激振器17、功率放大器18和函数信号发生器19拆离，将模/数转换器20和计算机21拆离，整理好仪器。
Claims (1)
1.一种二维软材料声子晶体带隙的测试系统，包括固定底座、加载模块及声学测试模块，加载模块设于固定底座上，包括手轮、位移数显卡尺、两个带螺纹的滑块-滑块I和滑块Ⅱ、滑轨、螺纹转轴、上下层夹具；声学测试模块包括激振杆、激振器、两个加速度传感器-传感器Ⅰ和传感器Ⅱ、模/数转换器、函数信号发生器、功率放大器及计算机；
所述的螺纹转轴、滑轨平行固定于固定底座上，螺纹转轴具有上下两段反向的螺纹，滑块I和滑块II均穿置于滑轨上，滑块Ⅰ与螺纹转轴的上段螺纹连接，滑块Ⅱ与螺纹转轴的下段螺纹连接，螺纹转轴端部与手轮相连接，位移数显卡尺的滑块固定在滑块Ⅰ或滑块Ⅱ上，下层夹具上下两端分别与滑块I、滑块II固定，上层夹具通过螺钉与螺帽将软材料声子晶体试件固定于下层夹具上；
所述的传感器Ⅰ、激振杆分别与软材料声子晶体中部的左、右边界相连，传感器Ⅱ固定在激振杆上，传感器I和传感器II均与模/数转换器相连接，模/数转换器与计算机相连接；所述的函数信号发生器、功率放大器、激振器依次相连；激振器与激振杆相装配。
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