CN110264990A - 一种单相三维声子晶体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及声子晶体技术领域，具体涉及一种单相三维声子晶体结构。该单相三维声子晶体结构由空间周期性重复的三维声子晶体单胞组成。三维声子晶体单胞包括质量单元、连接体和框架，质量单元、连接体和框架为同一材料。质量单元的质量高度集中，连接体为细长体。质量单元设置于框架结构中，连接体的一端和质量单元连接，连接体的另一端和框架连接。该单相三维声子晶体结构通过局域共振得到低频带隙的同时采用同一材料的质量单元、连接体和框架，克服了多相三维局域共振声子晶体制备繁琐，结构复杂的缺点，利于组装，该结构设计合理，实用性强。

Description

一种单相三维声子晶体结构
技术领域
本发明涉及声子晶体技术领域，具体涉及一种单相三维声子晶体结构。
背景技术
局域共振型声子晶体具有低频段的弹性波带隙特性，在振动与噪声控制工程领域有着重要的应用前景。传统局域共振声子晶体通常由两种或三种材料共同构成，各相材料(一般是金属、橡胶、树脂)的材料属性差异很大，它通过这种材料间本征属性的差异来实现局域共振，从而得到低频带隙。
中国专利号CN201720691275.3提到了一种三维局域共振型声子晶体，该三维局域共振型声子晶体包括基体、中间层斜条和中心圆柱体，基体由呈阵列对称分布的、中心具有插槽圆孔的正方形板构成，中间层斜条分布在插槽圆孔的孔壁上，中心圆柱体沿中间层斜条中心在基体一个侧面分布；由基体正方形板与其对应的呈阵列分布的中间层斜条以及中心圆柱体构成局域共振型声子晶体的最小单元元胞。该声子晶体中间层斜条由超弹性橡胶组成，基体采用环氧树脂材料，多相材料复杂结构的组装也难以一次性连续完成，制备过程较为繁琐和复杂。
发明人在研究中发现，现有的相关技术中至少存在以下缺点：
多相三维局域共振声子晶体结构制备过程较为繁琐，其结构也较为复杂，不利于组装。
发明内容
本发明目的在于提供一种单相三维声子晶体结构，改善现有技术的不足，通过局域共振得到低频带隙的同时采用同一材料的质量单元、连接体和框架，克服了多相三维局域共振声子晶体制备繁琐，结构复杂的缺点，利于组装，该结构设计合理，实用性强。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种单相三维声子晶体结构，所述单相三维声子晶体结构由空间周期性重复的三维声子晶体单胞组成，所述三维声子晶体单胞包括质量单元、连接体和框架，所述质量单元、所述连接体和所述框架为同一材料，
所述质量单元的质量高度集中，所述连接体为细长体；
所述质量单元设置于所述框架结构中，所述连接体的一端和所述质量单元连接，所述连接体的另一端和所述框架连接。
具体的，该单相三维声子晶体结构通过局域共振得到低频带隙的同时采用同一材料的质量单元、连接体和框架，克服了多相三维局域共振声子晶体制备繁琐，结构复杂的缺点，利于组装，该结构设计合理，实用性强。
可选的，所述质量单元为球形，所述质量单元设置于所述框架中部位置，且通过所述连接体和所述框架相对固定。
可选的，所述框架为具有球形空腔的架状结构，所述质量单元设置于所述球形空腔中，所述连接体的数量为多个，多个所述连接体分别和所述框架的边角连接。
可选的，所述框架为正立方框架，所述正立方框架包括八个边角，八个所述边角上分别连接有所述连接体。
可选的，所述连接体为圆柱结构。
可选的，所述正立方框架的边长为a，所述球形空腔的直径为b，所述连接体的截面圆的直径为c，所述质量单元的直径为d。
可选的，所述三维声子晶体单胞采用增材制造的制造方式，以调整所述正立方框架的边长a、所述球形空腔的直径b、所述连接体的截面圆的直径c和所述质量单元的直径d的大小。
可选的，所述单相三维声子晶体结构包括至少两个所述三维声子晶体单胞，且所述三维声子晶体单胞沿同一预设方向周期性排列。
可选的，所述单相三维声子晶体结构由几何参数渐变的所述三维声子晶体单胞梯度排列。
与现有的技术相比，本发明实施例的有益效果包括，例如：
该单相三维声子晶体结构通过局域共振得到低频带隙的同时采用同一材料的质量单元、连接体和框架，克服了多相三维局域共振声子晶体制备繁琐，结构复杂的缺点，利于组装，该结构设计合理，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的三维声子晶体单胞的结构示意图；
图2为本发明提供的三维声子晶体单胞能带结构的示意图；
图3为本发明提供的单相三维声子晶体结构的结构示意图；
图4为本发明提供的连接体直径c对带隙的影响规律的示意图；
图5为本发明提供的质量单元直径d对带隙的影响规律的示意图；
图6为本发明提供的球形空腔直径b对带隙的影响规律的示意图；
图7为本发明提供的c/a＝0.06时结构的传输特性曲线的示意图；
图8为本发明提供的c/a＝0.14时结构的传输特性曲线的示意图；
图9为本发明提供的单相三维声子晶体结构组合结构传输特性曲线的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，“垂直”等术语并不表示要求部件之间绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
图1为本发明实施例提供的三维声子晶体单胞的结构示意图，请参照图1，一种单相三维声子晶体结构包括三维声子晶体单胞，三维声子晶体单胞包括质量单元、连接体和框架，质量单元、连接体和框架为同一材料，
质量单元的质量高度集中，连接体为细长体；
质量单元设置于框架结构中，连接体的一端和质量单元连接，连接体的另一端和框架连接。
值得说明的是，该单相三维声子晶体结构在满足三维声子晶体通过局域共振得到低频带隙的同时采用同一材料的质量单元、连接体和框架，克服了多相三维局域共振声子晶体制备繁琐，结构复杂的缺点，利于组装，该结构设计合理，实用性强。
还值得说明的是，该三维声子晶体单胞通过在框架结构中构建球形质量单元和连接体，使结构整体的质量和刚度分布改变，进而产生低频局域共振模态，能带结构中也由此打开了新的低频局域共振带隙。
请再次参照图1，质量单元为球形，该球形的质量单元设置于框架中部位置，且通过连接体和框架相对固定。
框架为具有球形空腔的架状结构，质量单元设置于球形空腔中，连接体的数量为多个，多个连接体分别和框架的边角连接。
框架为正立方框架，正立方框架包括八个边角，八个边角上分别连接有连接体。
连接体为圆柱结构。
值得说明的是，在本实施例中，质量单元采用球形可以保证质量在球形区域内高度集中。可以理解的是，根据具体实施环境，质量单元结构也可以采用方形或椭球形等，同样能达到质量集中的效果。本实施例并不构成对质量单元具体的结构类型的限定。
还值得说明的是，在本实施例中，连接体的数量为八个，八个连接体分别和正立方框架的八个边角连接，以达到结构均匀和连接稳定的效果。可以理解的是，根据具体实施环境的不同，连接体的数量也可以为四个、六个等，本实施例并不构成对连接体具体数量的限定。
还值得说明的是，在本实施例中，连接体为圆柱结构，以达到连接体整体细长，质量分布不集中的目的，同时，圆柱结构的连接体易于调整其几何参数，从而便于调整三维声子晶体单胞的相对带隙宽度。可以理解的是，根据具体实施环境的不同，连接体也可以为别的结构形式，本实施例并不构成对连接体具体结构形式的限定。
请再次参照图1，正立方框架的边长为a，球形空腔的直径为b，连接体的截面圆的直径为c，质量单元的直径为d。
图2为本发明提供的三维声子晶体单胞能带结构的示意图。
请结合图1和图2，考虑复杂结构增材制造的可行性，在本实施例中设定该三维声子晶体单胞的材料为树脂，其密度ρ＝1097kg/m3，弹性模量E＝1000MPa，泊松比ν＝0.4。当结构几何参数为b/a＝1.32、c/a＝0.06、d/a＝0.9时，利用有限元方法所计算得到的能带结构如图2所示。
图2中纵坐标频率用归一化频率表示，它的表达式为Ω＝fa/ct，f为实际频率值，ct为材料横波速度。带隙宽度也采用归一化后无量纲的相对带隙宽度表示，定义为2(fup–flow)/(fup+flow)，其中fup和flow分别为带隙上、下边界处的实际频率值。如图2所示，在图中第六条和第七条能带以及第十二条和第十三条能带之间分别出现了两条完全带隙。第六和第七条能带之间形成的低频段带隙，带隙频率范围为0.0755<Ω<0.1006，相对带隙宽度为28.44％。而第十二条和第十三条能带之间形成的高频段带隙，带隙范围为0.3618<Ω<0.6386，相对带隙宽度为55.35％。高频带隙的归一化中心频率分别为0.49，符合典型的布拉格散射带隙特征(带隙中心频率位于ct/2a附近)；而对于该低频带隙，在相同的结构尺寸下其带隙频率远低于高频布拉格散射带隙，且带隙下边界能带近乎平直，具有典型的局域共振带隙特征。因此说明图2所示能带结构能够打开一条低频局域共振带隙。
图4为本发明提供的连接体直径c对带隙的影响规律的示意图。
图5为本发明提供的质量单元直径d对带隙的影响规律的示意图。
图6为本发明提供的球形空腔直径b对带隙的影响规律的示意图。
请结合图1和图4-图6，考虑复杂结构增材制造的可行性，在本实施例中设定该三维声子晶体单胞的材料为树脂，其密度ρ＝1097kg/m3，弹性模量E＝1000MPa，泊松比ν＝0.4。在保持b/a和c/a的值不变的情况下，调整质量单元的直径d的大小，改变三维声子晶体单胞相对带隙宽度。
在保持d/a和c/a的值不变的情况下，调整球形空腔的直径b的大小，改变三维声子晶体单胞相对带隙宽度。
可以理解的是，改变三维声子晶体单胞结构几何参数可实现对带隙宽度的调控。
值得说明的是，取几何参数b/a＝1.32、d/a＝0.9保持不变，连接体直径对带隙上、下边界频率以及相对带隙宽度的影响规律如图4所示。图4(a)表明，随着连接体直径的增大，带隙上、下边界变化显著，带隙边界的频率值都近似于线性地增大，带隙中心频率增大，带隙位置不断上升。图4(b)中，相对带隙宽度随着连接体直径的增大，呈现出先迅速减小后缓慢增大的趋势。可以看到连接体的直径越小时，带隙频率越低且相对带宽越宽。这是因为连接体的直径越小，其等效刚度越小，带隙出现在频率更低的位置。
取几何参数b/a＝1.32、c/a＝0.06保持不变，质量单元直径对带隙上、下边界频率以及相对带隙宽度的影响规律如图5所示。图5(a)表明，随着质量单元直径的增大，带隙上边界频率增大而带隙下边界频率降低，带隙中心频率基本保持不变。相对带隙宽度随着质量单元直径的增大近乎线性地增大，如图5(b)所示。这主要是由于质量单胞直径越大，质量越大，局域共振带隙边界的频率越低。
取几何参数d/a＝0.9、c/a＝0.06保持不变，球形腔直径对带隙上、下边界频率以及相对带隙宽度的影响规律如图6所示。图6(a)表明，随着球形腔直径的增大，带隙上边界频率值急剧减小而带隙下边界频率值缓慢降低，带隙中心频率下降，带隙往低频方向移动。图6(b)中，相对带隙宽度随着球形腔直径的增大，呈现出先略微增大后迅速减小的变化趋势。这主要是由于球形腔直径越大，立方框架等效刚度越小导致。
图3为本发明提供的单相三维声子晶体结构的结构示意图。
请参照图3，单相三维声子晶体结构包括至少两个三维声子晶体单胞，且三维声子晶体单胞沿同一预设方向周期性排列。
值得说明的是，在本实施例中单相三维声子晶体结构由几何参数渐变的三维声子晶体单胞梯度排列。
图7为本发明提供的c/a＝0.06时结构的传输特性曲线的示意图；
图8为本发明提供的c/a＝0.14时结构的传输特性曲线的示意图；
图9为本发明提供的单相三维声子晶体结构组合结构传输特性曲线的示意图。
请参照图3和图7-图9，图7为几何参数b/a＝1.32、c/a＝0.06、d/a＝0.9时，由八层单胞所构成的半无限周期结构的传输谱。可以看到频率域内出现两处振动衰减超过70dB的区域，分别对应能带结构中的第一条低频带隙和第二条中频带隙。其归一化频率范围分别为0.0755<Ω<0.1692以及0.3462<Ω<0.6386。需要注意的是，在传输特性的模拟过程中，入射波是沿着Γ-X方向入射的，所以从传输谱中得到的是Γ-X方向上的方向带隙，其范围比能带结构中的完全带隙要宽，但与能带结构中的方向带隙是完全吻合的。
图8为几何参数b/a＝1.32、c/a＝0.06、d/a＝0.14时，得到的结构传输特性曲线。图9为组合结构的传输特性曲线。
对比图7、8、9可以看到，原来相互分离的带隙可以叠加成一个完整的宽频带隙，带隙起始于低频0.0902截止于高频0.6526，相对带隙宽度达到151％。因此，通过组合结构的方式可以实现带隙的互补，将原来分离的带隙组合成涵盖低频到中高频的宽频大带隙。
值得说明的是，在本实施例中，低频带隙的拓宽，可以通过将几何参数不同的原胞组合成渐变结构的方式来实现。渐变结构中不同频率范围带隙的互补，从而将原来分离的带隙叠加成涵盖低频到中高频的宽频大带隙。
综上所述，本实施例提供了一种单相三维声子晶体结构，该单相三维声子晶体由空间周期性重复的三维声子晶体单胞组成，三维声子晶体单胞包括质量单元、连接体和框架，质量单元、连接体和框架为同一材料。质量单元的质量高度集中，连接体为细长体。质量单元设置于框架结构中，连接体的一端和质量单元连接，连接体的另一端和框架连接。该单相三维声子晶体结构通过局域共振得到低频带隙的同时通过同一材料的质量单元、连接体和框架，克服了多相三维局域共振声子晶体制备繁琐，结构复杂的缺点，利于组装，该结构设计合理，实用性强。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述单相三维声子晶体结构由空间周期性重复的三维声子晶体单胞组成，所述三维声子晶体单胞包括质量单元、连接体和框架，所述质量单元、所述连接体和所述框架为同一材料，
所述质量单元的质量高度集中，所述连接体为细长体；
所述质量单元设置于所述框架结构中，所述连接体的一端和所述质量单元连接，所述连接体的另一端和所述框架连接。
2.根据权利要求1所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述质量单元为球形，所述质量单元设置于所述框架中部位置，且通过所述连接体和所述框架相对固定。
3.根据权利要求2所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述框架为具有球形空腔的架状结构，所述质量单元设置于所述球形空腔中，所述连接体的数量为多个，多个所述连接体分别和所述框架的边角连接。
4.根据权利要求3所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述框架为正立方框架，所述正立方框架包括八个边角，八个所述边角上分别连接有所述连接体。
5.根据权利要求4所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述连接体为圆柱结构。
6.根据权利要求5所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述正立方框架的边长为a，所述球形空腔的直径为b，所述连接体的截面圆的直径为c，所述质量单元的直径为d。
7.根据权利要求6所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述三维声子晶体单胞采用增材制造的制造方式，以调整所述正立方框架的边长a、所述球形空腔的直径b、所述连接体的截面圆的直径c和所述质量单元的直径d的大小。
8.根据权利要求6所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述单相三维声子晶体结构包括至少两个所述三维声子晶体单胞，且所述三维声子晶体单胞沿同一预设方向周期性排列。
9.根据权利要求8所述的一种单相三维声子晶体结构，其特征在于，所述单相三维声子晶体结构由几何参数渐变的所述三维声子晶体单胞梯度排列。
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