CN112687251A - 带隙可调的拉胀声子晶体、应用及减振装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种带隙可调的拉胀声子晶体、应用及减振装置。该带隙可调的拉胀声子晶体包括多个周期排布的三维反手性结构单元，三维反手性结构单元包括多个立方体，每个立方体的各表面均连接有连杆；拉胀声子晶体中，相邻两个立方体的相对面上的连杆相互连接，且该两个立方体位于该相互连接的连杆的同侧；及，拉胀声子晶体沿频率增加方向依次包括第一带隙和第二带隙，第二带隙宽于第一带隙，并且，在外力作用下拉胀声子晶体发生应变，第二带隙的宽度改变。上述拉胀声子晶体具有中高频的宽带隙，带隙可调，并且重量轻、体积小、易制备。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种带隙可调的拉胀声子晶体、应用及减振装置。
背景技术
随着现代工业的发展，人类生活坏境中的噪声和振动问题日益突出。一方面，如何实现机电设备的减振降噪，保证机电设备安全、长寿命地工作是我们需要解决的问题；另一方面，大型机械设备的作业，带来的振动问题，不仅会对我们居住的楼房产生不可逆破坏，更会对人类产生身体健康影响。找到有效的抑制振动、降低噪音的办法，已经成为目前工业发展的一个重要课题。
然而，目前的减振降噪材料大多是常规的阻尼性材料，一般包括单层、中空结构、或者依靠填充某些高性能纤维，高阻尼额聚合物，通过某些特殊的手段进行混合行程的夹层结构。这些设计和制备是根据质量定律和材料的内阻尼定律，其效果不明显，而且难于设计出对于特定频率的弹性波进行阻隔吸收的结构。
发明内容
基于此，有必要针对传统的减振降噪材料减振效果差且减振频率不可调的问题，提供一种改进的拉胀声子晶体。
一种带隙可调的拉胀声子晶体，所述拉胀声子晶体包括多个周期排布的三维反手性结构单元，所述三维反手性结构单元包括多个立方体，每个所述立方体的各表面均连接有连杆；
所述拉胀声子晶体中，相邻两个所述立方体的相对面上的连杆相互连接，且该两个所述立方体位于该相互连接的连杆的同侧；
及，
所述拉胀声子晶体沿频率增加方向依次包括第一带隙和第二带隙，所述第二带隙宽于所述第一带隙，并且，在外力作用下所述拉胀声子晶体发生应变，所述第二带隙的宽度改变。
上述拉胀声子晶体，具有频率较高且频带范围较宽的第二带隙，从而可对中高频范围的弹性波进行很好的阻隔，实现较佳的减振降噪效果；并且，该拉胀声子晶体受到外力发生应变时，第二带隙的宽度也会相应改变，从而实现了减振频率的有效调节，提升了减振降噪结构设计的灵活性，有利于满足不同用户的减振降噪需求。
在其中一个实施例中，所述拉胀声子晶体受到拉伸力作用，所述第二带隙的宽度增加；所述拉胀声子晶体受到压缩力作用，所述第二带隙的宽度减小。
在其中一个实施例中，所述拉胀声子晶体受到拉伸力作用，所述第二带隙的下边界朝靠近所述第一带隙的方向移动；所述拉胀声子晶体受到压缩力作用，所述第二带隙的下边界朝远离所述第一带隙的方向移动；其中，所述第二带隙的下边界表示所述第二带隙靠近所述第一带隙的边界。
在其中一个实施例中，所述拉胀声子晶体拉伸单位长度时所述第二带隙的下边界的移动距离大于所述拉胀声子晶体压缩单位长度时所述第二带隙的下边界的移动距离。
在其中一个实施例中，所述连杆的一端连接在所述立方体表面的角点位置处。
在其中一个实施例中，所述连杆的横截面为正方形；且，所述连杆的横截面的边长小于所述立方体的边长的五分之一，所述连杆的长度大于所述立方体的边长的三分之一。
在其中一个实施例中，所述立方体和所述连杆的制备材料相同。
在其中一个实施例中，所述拉胀声子晶体一体成型。
本申请还提供一种如前所述的拉胀声子晶体的应用。
一种如前所述的拉胀声子晶体的应用，用于阻隔频率处于4850Hz～11700Hz范围内的弹性波的传播；或，用于阻隔频率处于4500Hz～11500Hz范围内的弹性波的传播。
上述拉胀声子晶体的应用，可用于阻隔中高频范围内的弹性波传播，并且，通过对拉胀声子晶体施加拉伸力或压缩力，可将该拉胀声子晶体用于阻隔不同频率范围内的弹性波传播。
本申请还提供一种减振装置。
一种减振装置，包括如前所述的拉胀声子晶体。
上述减振装置，利用前述的拉胀声子晶体制备，可以实现中高频宽且频率范围可调的弹性波阻隔吸收效果，具备广阔的应用前景。
附图说明
图1中的(a)图为本申请一实施例的模型结构图；
图1中的(b)图为本申请一实施例的实体结构示意图；
图2中的(a)图为本申请一实施例的拉胀性质的有限元模拟图；
图2中的(b)图为本申请一实施例的拉胀性质的力学实验图；
图3中的(a)图为本申请一实施例未形变时的包含第一带隙和第二带隙的部分能带示意图；
图3中的(b)图为本申请一实施例受到拉伸力发生应变时的包含第一带隙和第二带隙的部分能带示意图；
图4中的(a)图、(b)图、(c)图和(d)图分别示出了本申请一实施例未形变时第一带隙下边界对应的模态、第一带隙上边界对应的模态、第二带隙下边界对应的模态和第二带隙上边界对应的模态；
图5中的(a)图、(b)图、(c)图和(d)图分别表示出了本申请一实施例受到拉伸力发生应变时第一带隙下边界对应的模态、第一带隙上边界对应的模态、第二带隙下边界对应的模态和第二带隙上边界对应的模态；
图6示出了本申请一实施例的第二带隙的下边界对应的频率大小随拉胀声子晶体拉伸压缩应变的变化曲线；
图7为本申请一实施例发生不同应变时弹性波的透射谱模拟图；
图8分别示出了带隙外频率和带隙内频率的弹性波入射到本申请一实施例的振动分布示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
声子晶体存在声波带隙，即在带隙频率范围内，弹性波不能穿过声子晶体，这就使得声子晶体在振动的抑制和声波的吸收方面有着广阔的应用前景。近些年来，国内外学者在寻求具备带隙的声子晶体结构方面做了大量的研究。2000年，刘正猷利用局域共振的机理设计的声子晶体可以对波长大于晶格尺寸两个数量级的弹性波进行控制。中国专利CN206946932U也介绍了一种利用三维局域共振型声子晶体，实现了较宽的低频带隙。然而这些发明的声子晶体不仅存在带隙频率不够宽的问题，还存在基体质量大、传统机加工复杂的苦难。
2016年，郑辉等研究了二维手性结构带隙和传输谱，发现该结构在某些频率存在带隙和较低的弹性波透过率，Korner制备了一种可以3D打印的单相材料的三维声子晶体，2017年，Corigliano等利用振动模式分离的方法，设计了一种具有低频超宽带隙的三维声子晶体，这些研究虽然有效的降低了制造结构质量，符合轻量化要求的同时加宽了带隙，但是，上述研究的结构，在其生产完成后，其带隙已经固定，无法改变。
针对上述问题，本申请提供了一种具有中高频宽带隙且带隙宽度可调的拉胀声子晶体。该拉胀声子晶体还具备制备简单，质量、体积小等优点，从而有着广阔的应用前景。
请参考图1，本申请的拉胀声子晶体包括多个周期排布的三维反手性结构单元，三维反手性结构单元包括多个立方体1，每个立方体1的各表面均连接有连杆2；拉胀声子晶体中，相邻两个立方体1的相对面上的连杆2相互连接，且该两个立方体1位于该相互连接的连杆2的同侧。
手性(Chiral)结构是一种在自然界广泛存在的结构，任何和自身镜像不能通过平移重合的形状我们都可以称其具有手性。手性结构同样可以用来设计拉胀超构材料。典型的手性拉胀结构包含一个位于中心的圆，四周的圆通过位于切线处的杆单元与中心园相连，当施加一个压力时，中心圆的旋转导致杆单元产生向中心的拉力，使两侧圆向内部收缩，产生负泊松比，改变中心圆连接的杆单元个数可以设计不同的手性结构。如果杆单元连接的两个圆位于杆单元同侧，则可称该结构为反手性结构。
以图1所示为例，该拉胀声子晶体由多个三维反手性结构单元沿x方向、y方向、z方向周期性延拓构成，并可由3D打印的方式构造实体。具体的，三维反手性结构单元包括八个立方体1，每个立方体1的六个面上分别连接有一个连杆2，连杆2的横截面为正方形。每个立方体1具有六个与其相邻的立方体1，任意两个相邻立方体1相对面上的连杆2相互连接，并且该两个相邻立方体1位于该相互连接的连杆2的同侧，从而形成三维的反手性结构。该三维反手性结构如果沿三个正交的方向观察，可发现每一个方向上的视图均呈反四重手性形状。
图2分别示出了本申请拉胀声子晶体受到压力时的有限元模拟图和力学实验图。可以看到，在施加压力后，立方体1旋转，连杆2弯曲，使得拉胀声子晶体的整体结构向内收缩，从而展现出良好的拉胀性质。另一实施方式中，还可将立方体1改为长方体或其他多面体，本申请对此不做限制。
进一步的，拉胀声子晶体沿频率增加方向依次包括第一带隙和第二带隙，第二带隙宽于第一带隙，并且，在外力作用下拉胀声子晶体发生应变，第二带隙的宽度改变。其中，应变指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对变形。可以理解的是，频率处于第一带隙和第二带隙的弹性波无法穿过该拉胀声子晶体。
具体的，以图1所示结构为例，可先取立方体1的边长为a，连杆2的横截面的边长为t，相邻两个立方体1之间的中心距离为l，并使a＝18mm，t＝1.8mm，l＝30mm，立方体1和连杆2的材料均选用树脂，其中树脂的杨氏模量E为1.8GPa，密度为1150kg/m3，泊松比为0.4，进而通过软件可计算得出该拉胀声子晶体的部分能带图。请参考图3，其中横坐标表示波矢，纵坐标表示频率，浅灰色部分即表示带隙，由图3的(a)图可知，在拉胀声子晶体未受力产生应变的情况下，该拉胀声子晶体沿频率增加方向依次具有较窄的第一带隙和较宽的第二带隙，对应的带隙宽度分别为1.15KHz-2.15KHz和4.84KHz-11.72KHz，对应的归一化频率分别为0.055-0.103和0.232-0.562，从而表明图1所示的拉胀声子晶体在中高频段有着较宽的带隙。进一步的，由图(b)可知，在拉胀声子晶体受拉伸力发生5mm应变的情况下，第一带隙的带隙宽度为1.22KHz-1.96KHz，第二带隙的带隙宽度为4.42KHz-11.5KHz，从而表明当该拉胀声子晶体受到外力发生应变时，其第二带隙的宽度会相应改变。
图4示出了未发生应变时该拉胀声子晶体在第一、第二带隙的上下边界处的振动模式，图5示出了发生5mm应变时该拉胀声子晶体在第一、第二带隙的上下边界处的振动模式，其中，第一带隙的下边界表示第一带隙远离第二带隙的边界(该边界表示的频率最低)，第一带隙的上边界表示第一带隙靠近第二带隙的边界，第二带隙的下边界表示第二带隙靠近第一带隙的边界，第二带隙的上边界表示第二带隙远离第一带隙的边界(该边界的频率最高)。结果表明，同一带隙的上下边界处的振动模式不同，对应的有效刚度也相差较大，从而能够形成较宽的带隙。
上述拉胀声子晶体，具有频率较高且频带范围较宽的第二带隙，从而可对中高频范围的弹性波进行很好的阻隔，实现较佳的减振降噪效果；并且，该拉胀声子晶体受到外力发生应变时，第二带隙的宽度也会相应改变，从而实现了减振频率的有效调节，提升了减振降噪结构设计的灵活性，有利于满足不同用户的减振降噪需求。
在示例性实施方式中，拉胀声子晶体受到拉伸力(stretch)作用，第二带隙的宽度增加；拉胀声子晶体受到压缩力(compress)作用，第二带隙的宽度减小。具体的，拉胀声子晶体受到拉伸力作用，第二带隙的下边界朝靠近第一带隙的方向移动；拉胀声子晶体受到压缩力作用，所述第二带隙的下边界朝远离所述第一带隙的方向移动。
具体的，如图6所示，横坐标表示拉胀声子晶体的应变，纵坐标表示第二带隙下边界对应的频率大小。由图6可知，若应变等于0，则表示无外力施加在拉胀声子晶体上，此时第二带隙的下边界对应的频率约为4750Hz；若应变大于0，则表示拉胀声子晶体受到拉伸力(stretch)作用，此时第二带隙的下边界对应的频率小于4750Hz，第二带隙的下边界下移，第二带隙变宽；若应变小于0，则表示拉胀声子晶体受到压缩力(compress)作用，此时第二带隙的下边界对应的频率大于4750Hz，第二带隙的下边界上移，第二带隙变窄。
通过控制第二带隙的下边界的移动能够更简便有效地调整第二带隙的宽度，使其满足所需的减振降噪的频率需求。
在示例性实施方式中，拉胀声子晶体拉伸单位长度时第二带隙的下边界的移动距离大于拉胀声子晶体压缩单位长度时第二带隙的下边界的移动距离。
继续参考图6，应变大于0时第二带隙下边界的频率的变化斜率明显大于应变小于0时第二带隙下边界的频率的变化斜率，从而可知压缩应变对第二带隙的影响明显小于拉伸应变对第二带隙的影响。因此，在对第二带隙的宽度进行调节时，若需要调节的幅度较大，则可选择施加拉伸力来进行调节；若需要调整的幅度较小，则可选择施加压缩力来进行调节。
在示例性实施方式中，如图1所示，连杆的一端连接在立方体表面的角点位置处。具体的，角点位置表示立方体1每个面上两条边交点附近的区域。例如，该附近的区域可以是以交点为圆心，半径取边长的0～30％作圆得到的与立方体表面重合的四分之一圆所表示的区域，本申请对此并不做具体限制，只要能充分靠近立方体表面的交点即可。通过上述设置可使声子晶体受到外力时，立方体1的旋转更充分，连杆2的弯曲也更明显，从而使声子晶体具备更佳的拉胀性质。
在示例性实施方式中，连杆2的横截面为正方形；且，连杆2的横截面的边长小于立方体1的边长的五分之一，连杆2的长度大于立方体1的边长的三分之一。通过上述设置能够保证拉胀声子晶体具备较宽的带隙，同时使得带隙宽度能在外力作用下得到调整，从而进一步提升该拉胀声子晶体的减振降噪效果，满足不同用户的减振降噪需求。而当其中任一一个长度关系不满足时，均无法保证该拉胀声子晶体的能带特性，例如带隙数量减少，或是带隙宽度变窄，或是带隙不可调，又或是带隙直接消失，从而难以利用该拉胀声子晶体实现所需的减振降噪效果。
在示例性实施方式中，立方体和连杆的制备材料相同。例如，可以是尼龙、树脂或纯钛。尼龙材料具有良好的可回复性，纯钛样品具有较高的强度。利用单材料制备效果较佳的减振降噪材料比较罕见，因此本申请的拉胀声子晶体在多功能材料领域具备十分广阔的应用前景。除此之外，上述材料的密度也较小，加上本申请拉胀声子晶体的体积也不大，从而有利于制备出重量轻、体积小的减振降噪器件。
在示例性实施方式中，本申请拉胀声子晶体中的多个三维反手型结构可通过3D打印一体成型，从而易于制备，满足产业化生产的条件。
本申请还提供一种如前文所述的拉胀声子晶体的应用，用于阻隔频率处于4850Hz～11700Hz范围内的弹性波的传播；或，用于阻隔频率处于4500Hz～11500Hz范围内的弹性波的传播。
具体的，请参考图7，图7示出了本申请一实施例发生不同应变时弹性波的透射谱模拟图，其中，横坐标表示入射弹性波的频率，纵坐标表示弹性波的透射系数。未施加外力(undeformed)时，第二带隙的宽度为4850Hz～11700Hz，可以看到该频率范围内的弹性波均具有较低的透射系数，透射系数最低可以达到-200dB；施加外力后，为方便观察第二带隙的边界移动，可以以未施加外力时第二带隙下边界的频率所对应的透射系数(-40dB)为第二带隙下边界的起算标准，从而可以看到，当拉胀声子晶体发生2mm、10mm、15mm的拉伸应变时，第二带隙的下边界明显朝靠近第一带隙的方向移动(图中为向左移动)，第二带隙变宽，宽度为4500Hz～11500Hz，该频率范围内的弹性波也均具有较低的透射系数，透射系数最低可以达到-220dB。从而可知，上述两个频段对弹性波均具有很好的阻隔效果。
进一步的，请参考图8，图8分别示出了带隙外频率和带隙内频率的弹性波入射到本申请一实施例的振动分布示意图。可以看到，当弹性波以位于带隙外的频率(3000Hz)入射时，拉胀声子晶体的整个结构都发生了振动，应力场是全局的；而当弹性波以位于带隙内的频率(5000Hz)入射时，弹性波被局域在拉胀声子晶体内部，从而使得弹性波被隔离。
上述拉胀声子晶体的应用，可用于阻隔中高频的宽频率范围内的弹性波传播，并且，通过对拉胀声子晶体施加拉伸力或压缩力，可将该拉胀声子晶体用于阻隔不同频率范围内的弹性波传播。
本申请还提供一种减振装置，包括如前文述拉胀声子晶体。
上述减振装置，利用前述的拉胀声子晶体制备，可以实现中高频宽且频率范围可调的弹性波阻隔吸收效果，具备广阔的应用前景。例如，可制备同时具有抗冲击、隔振作用的多孔材料等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种带隙可调的拉胀声子晶体，其特征在于，
所述拉胀声子晶体包括多个周期排布的三维反手性结构单元，所述三维反手性结构单元包括多个立方体，每个所述立方体的各表面均连接有连杆；
所述拉胀声子晶体中，相邻两个所述立方体的相对面上的连杆相互连接，且该两个所述立方体位于该相互连接的连杆的同侧；
及，
所述拉胀声子晶体沿频率增加方向依次包括第一带隙和第二带隙，所述第二带隙宽于所述第一带隙，并且，在外力作用下所述拉胀声子晶体发生应变，所述第二带隙的宽度改变。
2.根据权利要求1所述的拉胀声子晶体，其特征在于，所述拉胀声子晶体受到拉伸力作用，所述第二带隙的宽度增加；所述拉胀声子晶体受到压缩力作用，所述第二带隙的宽度减小。
3.根据权利要求2所述的拉胀声子晶体，其特征在于，
所述拉胀声子晶体受到拉伸力作用，所述第二带隙的下边界朝靠近所述第一带隙的方向移动；
所述拉胀声子晶体受到压缩力作用，所述第二带隙的下边界朝远离所述第一带隙的方向移动；
其中，所述第二带隙的下边界表示所述第二带隙靠近所述第一带隙的边界。
4.根据权利要求3所述的拉胀声子晶体，其特征在于，所述拉胀声子晶体拉伸单位长度时所述第二带隙的下边界的移动距离大于所述拉胀声子晶体压缩单位长度时所述第二带隙的下边界的移动距离。
5.根据权利要求1所述的拉胀声子晶体，其特征在于，所述连杆的一端连接在所述立方体表面的角点位置处。
6.根据权利要求1所述的拉胀声子晶体，其特征在于，所述连杆的横截面为正方形；且，
所述连杆的横截面的边长小于所述立方体的边长的五分之一，所述连杆的长度大于所述立方体的边长的三分之一。
7.根据权利要求1-6任一项所述的拉胀声子晶体，其特征在于，所述立方体和所述连杆的制备材料相同。
8.根据权利要求7所述的拉胀声子晶体，其特征在于，所述拉胀声子晶体一体成型。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的拉胀声子晶体的应用，其特征在于，
用于阻隔频率处于4850Hz～11700Hz范围内的弹性波的传播；或，
用于阻隔频率处于4500Hz～11500Hz范围内的弹性波的传播。
10.一种减振装置，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的拉胀声子晶体。
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