CN110264989A - 一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，包括声子晶体单元、有限长度的弹性波通道、弹性波入射接口以及弹性波出射接口，所述声子晶体单元按照一维晶格周期排列，二个及以上的不同属性的一维周期排列的声子晶体组成多个弹性波通道，每个弹性波通道内的声子晶体单元不唯一，与传统声子晶体依赖禁带抑制波传播特性不同，本发明中的二个及以上的弹性波通道的设计与参数调节使得入射的弹性波形成相互间的相位差，其特征在于使得包含禁带频率范围内外的超宽频率范围内诱导弹性波自相消而得到抑制，解决了低频范围内宽频弹性波抑制的问题，在宽频域范围内对弹性波衰减效果良好。

Description

一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体
技术领域
本发明属于声子晶体技术领域，具体涉及一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体。
背景技术
基于布拉格散射的声子晶体及基于局部共振的超材料是具有衰减弹性特性的周期结构，传统意义下，在声子晶体和超材料禁带对应的频率范围内没有相对应的波数解，换而言之弹性波的传播受到抑制，其中弹性波的能量收到折射、反射或者吸收等多种形式的衰减。而在禁带频率范围之外，声子晶体和超材料的弹性波抑制效果极其有限。低频振动是工程应用中常遇到的振动，如何抑制低频振动是工程应用中的重要问题。
通常，利用基于布拉格散射的声子晶体对弹性波进行抑制，往往需要声子晶体的尺寸与弹性波的尺寸相当，若弹性波频率较低，其波长较大，则需要提及巨大的声子晶体来抑制其中的弹性波传播。基于局部共振的超材料虽然具有低频带隙，但其低频带隙只存在于很窄的频率范围内，无法同时在较宽频域范围内取得良好的弹性波抑制效果。因而如何在较宽频域范围内做好弹性波的抑制，成为了本领域技术人员一直迫切希望解决的问题。
发明内容
本发明正是针对现有问题，利用干涉自相消的原理，提供了一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，包括声子晶体单元和二个及以上弹性波通道，所述声子晶体单元按照一维晶格周期排列，组成弹性波通道，不同属性的声子晶体单元组成不同的弹性波通道，每个弹性波通道内的声子晶体单元不唯一，弹性波通道使得弹性波形成相互间的相位差并自相消，解决了低频范围内宽频弹性波抑制的问题，在不依赖局部共振或者声子晶体带隙的前提下，在宽频域范围内对弹性波衰减效果良好。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，包括声子晶体单元、有限长度的弹性波通道、弹性波入射接口以及弹性波出射接口，所述声子晶体单元按照一维晶格周期排列，不同属性的声子晶体单元组成不同的弹性波通道，所述不同的弹性波通道使得弹性波形成相互间的相位差并自相消，所述每个弹性波通道内的声子晶体单元个数及属性均不唯一。
作为本发明的一种改进，所述声子晶体单元包括基板和在基板上加工形成的凹槽或者凸起，所述一维晶格在基板上周期排列，所述基板上的凹槽中心或凸起中心与基板的中心重叠。
作为本发明的一种改进，所述基板上加工形成的凹槽或者凸起形状为圆形或椭圆形或矩形或菱形或三角形或六边形中的任一种。
作为本发明的一种改进，所述弹性波入射接口和出射接口通过螺栓紧固或焊接的方式与外界相连接，所述弹性波入射口和出射接口的长度与声子晶体的总宽度相等。
作为本发明的另一种改进，所述声子晶体单元中基板的形状为长方形或正方形或六边形中的任一种，所述基板材料为金属制。
作为本发明的又一种改进，所述弹性波通道的通道数为2～6个。
作为本发明的又一种改进，所述每个弹性波通道内的声子晶体单元个数为2～10个。
作为本发明的更进一步改进，所述所述声子晶体的晶格常数a为0.25m，基板厚度为0.01a～0.3a。
与现有技术相比，本发明公开了一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，通过构造二个及以上弹性波通道，并在每个通道内设置多个声子晶体单元，从而使得该弹性波通道利用声子晶体不同的色散特性实现弹性波的相位的改变，从而实现不同通道内弹性波的相位差，人工利用弹性波的相位差诱导弹性波自相消，解决低频范围内超宽频弹性波抑制的问题。所述声子晶体的色散特性不不依赖声子晶体单元的尺寸大小、或者声子晶体禁带的位置而存在，其特征在于不同的声子晶体单元的可以在全频率范围内存在不同的色散特性，继而诱导在其中传播的弹性波在超宽频范围内产生相位差而自相消。所述声子晶体单元按照一维晶格周期在基板上加工形成，所采用的原理有别于传统的声子晶体带隙内波反射、吸收的原理，本发明中所利用的干涉相消的原理可在带隙以外的亚波长低频范围内实现超宽频弹性波抑制，经验证，本发明中的声子晶体在低频超宽频域范围内，弹性波衰减效果良好。
附图说明
图1为本发明低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体的结构示意图；
图2为本发明低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体中凹槽型声子晶体单元的结构示意图；
图3为本发明低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体中凸起型声子晶体单元的结构示意图；
图4为单个弹性波传播通道周期排列的声子晶体的对弹性波相位调控的示意图；
图5为双弹性波通道的声子晶体对应的弹性波传递率频率响应图；
图中：1.基板、2.声子晶体弹性波通道、3.声子晶体弹性波通道、4.弹性波入射通道、5.弹性波出射通道、6.弹性波通道接口、7、声子晶体单元中加工的凹槽、8.声子晶体单元中加工的凸起。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，如图1所示，包括声子晶体单元和弹性波通道(2,3)，所述声子晶体单元按照一维晶格周期排列，组成弹性波通道(2,3)，不同属性的声子晶体单元组成不同的弹性波通道(2,3)，弹性波通道的通道数为2～6个，所述每个弹性波通道(2,3)内的声子晶体单元不唯一，每个弹性波通道(2,3)内的声子晶体单元个数为2～10个，本实施例图1中每个弹性波通道内的声子晶体单元为10个，一共有2个弹性波通道，即弹性波通道2和弹性波通道3。
所述声子晶体单元包括基板1和在基板上加工形成的凹槽或者凸起，如图2所示，图2为本发明低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体中凹槽型声子晶体单元的结构示意图，凹槽可通过车、铣或者蚀刻等方式加工形成；图3为本发明低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体中凸起型声子晶体单元的结构示意图，凸起可通过车、铣或者粘贴附加结构等方式加工形成，所述一维晶格在基板1上周期排列，基板上的凹槽中心或凸起中心与基板的中心重叠。
所述声子晶体单元包括弹性波入射4以及出射接口5与声子晶体的总宽度相当，并与外界弹性波通道固接。优选的，弹性波入射以及出射接口通过焊接的方式与外接弹性波通道固接6。
如图1所示，声子晶体单元按照一维晶格周期排列在两个弹性波通道2和3内，可以分别实现不同的弹性波相位调制，当两个弹性波通道内的弹性波相位相差为π的时候，两列弹性波实现完全相互相消；当两个弹性波通道内的弹性波相位相差不到π的时候，两列弹性波实现部分相互相消，弹性波通道2和3使得弹性波形成相互间的相位差并自相消，实现低频范围内超宽频域的弹性波衰减，解决了低频范围内宽频弹性波抑制的问题。
图4为单个弹性波传播通道周期排列的声子晶体的对弹性波相位调控的示意图，其中基板为长方形，基板内部加工圆形凹槽，相应的弹性波通道可以实现超过2π的相位调制；图5为双弹性波通道的声子晶体对应的弹性波传递率频率响应图，如图5所示，两个弹性波通道内的弹性波相位相差为π的时候，弹性波振动的衰减效果明显并形成多个传递率谷值，弹性波能量衰减效果最大可达约-61.78dB。在其他频率范围内，两个弹性波通道内的弹性波相位相差不到π，亦存在显著的弹性波能量衰减的效果，其弹性波能量衰减的效果相比较于传统声子晶体在频率宽度以及衰减能力两个指标上有飞跃性提升。多弹性波通道声子晶体设计实现了低频范围内超宽频弯曲振动的能量衰减效果，并极大增加了抑制弹性波振动的有效频率范围。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体中的声子晶体晶格常数a为0.25m，基板厚度为0.01a～0.3a，基板1的形状可以为长方形或正方形或六边形中的任一种，基板1材料为金属制，基板1上加工形成的凹槽或者突起形状为圆形或椭圆形或矩形或菱形或三角形或六边形中的任一种，便于制作，使用范围更加广泛。当声子晶体单元中凹槽或者突起的横截面为圆形时，凹槽或者突起的半径为0.1a～0.45a，此时弹性波能量衰减性能更佳。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于，包括声子晶体单元、有限长度的弹性波通道、弹性波入射接口以及弹性波出射接口，所述声子晶体单元按照一维晶格周期排列，不同属性的声子晶体单元组成不同的弹性波通道，所述不同的弹性波通道使得弹性波形成相互间的相位差并自相消，所述每个弹性波通道内的声子晶体单元个数及属性均不唯一。
2.如权利要求1所述的一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于：所述声子晶体单元包括基板和在基板上加工形成的凹槽或者凸起，所述声子晶体单元在基板上周期排列成一维晶格，所述基板上的凹槽中心或凸起中心与基板的中心重叠。
3.如权利要求1所述的一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于：所述弹性波入射接口和出射接口通过螺栓紧固、环氧树脂粘接或焊接的方式与外界相连接，所述弹性波入射口和出射接口的长度与声子晶体的总宽度相等。
4.如权利要求2所述的一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于：所述弹性波通道的通道数为2～6个。
5.如权利要求2所述的一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于：所述基板上加工形成的凹槽或者凸起形状为圆形或椭圆形或矩形或菱形或三角形或六边形中的任一种。
6.如权利要求2所述的一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于：所述声子晶体单元中基板的形状为长方形或正方形或六边形中的任一种，所述基板材料为金属制。
7.如上述任一权利要求所述的一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于：所述每个弹性波通道内的声子晶体单元个数为2～10个。
8.如权利要求7所述的一种低频段超宽频弹性波传播抑制的声子晶体，其特征在于：所述声子晶体的晶格常数a为0.25m，基板厚度为0.01a～0.3a。
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