CN109658913A - 一种可拉伸调控带隙的软声子晶体 - Google Patents

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李剑
鲍荣浩
陈伟球
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Abstract

本发明公开了一种可拉伸调控带隙的软声子晶体，在基体二维平面内规则分布有若干椭圆孔状的两类散射体，两类散射体的椭圆长轴彼此垂直，且两类散射体交错排列，每行中第一类散射体的长轴与第二类散射体的短轴在同一直线上，每列中第一类散射体的短轴与第二类散射体的长轴在同一直线，所述的基体为弹性模量小于10MPa的各向同性均匀材料。本发明的软声子晶体采用两种类型椭圆孔交错排列的晶体构型，通过拉伸该软声子晶体，其带隙的范围可以逐渐减小，实现“从有到无”的逆向调控；拉伸调控的方式，较传统的压缩调控更为稳定，带隙调控效果更佳。

Description

一种可拉伸调控带隙的软声子晶体
技术领域
本发明涉及一种软声子晶体，具体涉及一种可拉伸调控带隙的软声子晶体，该晶体是具有低频(1000Hz以下)带隙的二维软周期多孔声子晶体结构。
背景技术
近年来，软材料的应用受到了越来越广泛的关注。将软材料与周期多孔结构相结合，基于软材料易于大变形及接近不可压的特性，可使多孔结构在外加载荷的作用下产生较为稳定的后屈曲变形，有效改变了结构原有的几何拓扑构型及瞬时切向刚度，从而进一步改变其带隙的分布，达到带隙调控的目的。另外，软材料的超弹性还可以保证结构在外加载荷移除后完全恢复到原有构型，从而使得这种调控作用可以多次反复实施，这为声学开关等器件的设计及弹性波传播的实施调控提供了新思路。目前关于机械加载调控结构声学特性的研究大多是通过施加压缩载荷来实现的。Bertoldi等人对圆孔多种排列方式的软材料周期结构施加不同程度的压缩载荷，发现施加不同程度的压力可使其产生多种后屈曲变形，从而获得不同的带隙特性，进一步达到带隙调控的目的。除了开孔周期结构，格栅结构也具有丰富的受压后屈曲变形及带隙调控性能。Chen等人研究了格栅结构的多种后屈曲构型，发现压缩载荷对格栅结构的结构泊松比及带隙具有调控作用。Huang等人设计的一种二维手性软矩形格栅结构，可通过双向加载使其发生不同程度的大变形，从而实现对弹性波带隙的灵活调控。另外，利用软材料设计的其他超材料(如折纸/剪纸材料、拉胀材料以及蜂窝材料等)，也显示出了优秀的力学及声学性能调控能力，在柔性电子、软体机器人等领域发挥着重要的作用。
在多孔周期结构中，圆孔周期结构是最传统的研究构型之一。当圆孔周期结构受到一定的压缩载荷时，结构会发生后屈曲变形，从而改变了原有结构的几何构型。Bertoldi等人已发现，较未变形时的能带结构，圆孔受压屈曲后将会产生更为丰富的带隙。但圆孔受压会诱导出多种后屈曲构型，不同构型对应的带隙特征也各不相同，因此施加压缩载荷并不是一种稳定的带隙调控方式。相比较而言，拉伸载荷的调控作用更加稳定，且更易实施。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可拉伸调控带隙的软声子晶体，该晶体可以通过拉伸使其带隙发生明显变化。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种可拉伸调控带隙的软声子晶体，在基体二维平面内规则分布有若干椭圆孔状的两类散射体，两类散射体的椭圆长轴彼此垂直，且两类散射体交错排列，每行中第一类散射体的长轴与第二类散射体的短轴在同一直线上，每列中第一类散射体的短轴与第二类散射体的长轴在同一直线，所述的基体为弹性模量小于10MPa的各向同性均匀材料。
传统的周期多孔声子晶体受拉后带隙范围变化不明显，但是当规则圆孔受压后会产生一种类似“十字交叉椭圆孔”的后屈曲构型，并且带隙会变宽。因此，本发明从规则排列圆孔受压后屈曲的构型出发，基于逆向思维，将其简化设计成一种十字排列椭圆孔的新构型。将该种新构型与软材料结合后即获得本发明的一种可拉伸调控带隙的软声子晶体。
本发明的有益效果为：
1.本发明设置两种类型椭圆孔交错排列的晶体构型，通过拉伸该软声子晶体，其带隙的范围可以逐渐减小，可以实现“从有到无”的逆向调控；
2.由于该种声子晶体是由软材料制成，因此其带隙的频率范围很低(1kHz以下)，实现了对低频宽带隙的调控，效果显著；
3.该种声子晶体结构简单，只有一种基体材料，无需其他组元的材料，制备方便；
4.本发明采用拉伸调控的方式，较传统的压缩调控更为稳定，带隙调控效果更佳。
附图说明
图1为本发明的软声子晶体的结构示意图(此处以5×5为例)。其中，A为基体部分，由硅胶材料制成；B为孔洞部分，为空气。
图2为本发明软声子晶体的单个原胞示意图。其中，a为椭圆孔短轴长，b为椭圆孔长轴长，2L0为单胞的边长。
图3为未加载时十字排列椭圆孔软声子晶体的(a)有限元计算能带图(灰色部分为完全带隙，阴影部分为ΓX方向带隙)；(b)实验ΓX方向透射谱；(c)有限元ΓX方向透射谱。
图4为施加位移拉伸载荷ε＝0.15(ε＝Δu/h，其中Δu为沿拉伸方向施加的拉伸位移载荷大小，h为沿拉伸方向试样的初始长度)时本发明软声子晶体的(a)有限元计算能带图(灰色部分为完全带隙，阴影部分为ΓX方向带隙)；(b)实验ΓX方向透射谱；(c)有限元ΓX方向透射谱。
图5为施加位移拉伸载荷ε＝0.25时本发明软声子晶体的(a)有限元计算能带图(灰色部分为完全带隙，阴影部分为ΓX方向带隙)；(b)实验ΓX方向透射谱；(c)有限元ΓX方向透射谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1、2所示，本发明的软声子晶体包括基体和散射体两部分，散射体为椭圆孔，在基体二维平面内规则分布有两类散射体，两类散射体的椭圆孔长轴彼此垂直，且两类散射体交错排列，每行中第一类散射体的长轴与第二类散射体的短轴在同一直线上，每列中第一类散射体的短轴与第二类散射体的长轴在同一直线，所述的基体为弹性模量小于10MPa的各向同性均匀材料，如基体部分为弹性模量约1MPa硅橡胶制成，为方便施加拉伸载荷，本发明中软声子晶体在厚度方向可以远小于长和宽，如可以做成硅胶矩形薄板，具体制作该种声子晶体时，只需将混合后的原材料如硅胶试剂倒入制作有两类交错排列椭圆圆柱的模具中，抽真空减少内部气泡，静置于室温下固化，最后脱模即可。
本发明一种具体的软声子晶体结构的几何参数及材料参数分别如表1和表2所示。
表1构型几何参数
表2基体材料参数(某种锡催化硅胶)
测试时，在声子晶体两侧施加拉伸载荷，对比图3、4、5可以发现，无论是有限元仿真还是实验结果，拉伸载荷的增加可使结构的构型发生变化，从而使其结构的对称性和整体的刚度发生改变，进一步使得低频带隙的范围变窄，达到了反向带隙调控的目的。

Claims (1)

1.一种可拉伸调控带隙的软声子晶体，其特征在于，在基体二维平面内规则分布有若干椭圆孔状的两类散射体，两类散射体的椭圆长轴彼此垂直，且两类散射体交错排列，每行中第一类散射体的长轴与第二类散射体的短轴在同一直线上，每列中第一类散射体的短轴与第二类散射体的长轴在同一直线，所述的基体为弹性模量小于10MPa的各向同性均匀材料。
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