CN113187840B - 一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构 - Google Patents

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Abstract

一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，属于降噪减振领域，本发明提供一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，双级结构中的每一级在高频和低频处都可以产生带隙，所谓的双级的第一级为多个单个胞元组合形成的规律排列，第二级为单个胞元内部不同截面的杆形成的，两级周期都可以产生带隙为本申请所要保护结构的独特之处，本发明提供的周期结构可以用于减振降噪，利用声子晶体的带隙特性可以阻止特定频率范围内弹性波或声波的传播，达到减振目的，与传统设计的同样框架结构相比，本发明质量小，并且形成带隙的范围宽，能够对更大频率范围内的弹性波或声波的传播进行抑制。

Description

一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构
技术领域
本发明属于降噪减振领域，具体涉及属于一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构。
背景技术
声子晶体是一种由两种及以上材料周期排列的人工复合材料，近年来受到广泛关注。当弹性波处于声子晶体的带隙频率范围内时，其在声子晶体中的传播将会得到有效衰减，而不属于这一弹性范围的弹性波将会依靠频散关系在声子晶体中得到无损耗的传播，基于这一性质，声子晶体得以在减振降噪方面的应用得到了人们的广泛关注。
低频抑振及多频段抑振一直是声子晶体的发展趋势，与工程实际应用最接近的梁和板类结构中主要存在抑振频段高、抑振频带少的问题。声子晶体周期结构带隙特性可以实现减振降噪。可以从抑制振源强度、隔振、消振三个方面达到减振降噪的目的，通过借鉴声子晶体的周期性改进振动源的设计，可以得到一种具有带隙特性的振源。在隔振方面，可以利用声子晶体结构的隔振器进行主动隔振或被动隔振，以此实现振动的有效抑制甚至隔离。
发明内容
本发明目的是提供一种声子晶体周期结构，具有双级带隙的特征，每一级的周期结构都会产生弹性波不能通过的隔振频段即带隙，扩展了现有周期结构隔振的频段宽度和产生隔振频段的数量；为了实现上述目的进而提供一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构：
一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，所述周期结构包括若干个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，所述若干个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元呈周期性矩阵分布，且相邻两个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元固定连接，此为双级结构中第一级周期；
所述具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元由四个杆件组成，四个杆件两两相交形成四边形框架，每个杆件包括三个小截面圆柱和四个大截面圆柱，四个大截面圆柱与三个小截面圆柱同轴设置，相邻两个大截面圆柱之间设有一个小截面圆柱，且小截面圆柱的两端分别与对应的大截面圆柱的一端固定连接，此为双级周期结构中的第二级周期，四个杆件两两相交时，位于相邻两个杆件端部的大截面圆柱会产生干涉，在每个位于端部的大截面圆柱上加工斜面，使相交的两个大截面圆柱呈V字型结构，在V字型结构的尖端加工有连接平面，相邻两个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元通过了V字型结构上的连接平面固定连接；
进一步地，所述周期结构的水平方向设置n个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，竖直方向设置n个或m个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，周期结构中具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的分布为n*m型或n*n型；
进一步地，所述周期结构中水平方向设置具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的个数n的取值范围为n≥3；
进一步地，所述周期结构中竖直方向设置具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的个数m的取值范围为m≥3；
进一步地，所述杆件中大截面圆柱的端面直径是小截面圆柱的端面直径的2-5倍；
进一步地，所述杆件中小截面圆柱的长度是小截面圆柱的长度的2-5倍；
进一步地，所述的小截面圆柱和大截面圆柱的材料均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果；
1、本发明提供一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，可以用于减振降噪，利用声子晶体的带隙特性可以阻止特定频率范围内弹性波或声波的传播，达到减振目的；
2、本发明提供一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，与传统设计的同样框架结构相比，本发明质量小，并且形成带隙的范围宽，能够对更大频率范围内的弹性波或声波的传播进行抑制；
3、本发明提供一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，具有频率可设计、针对性强、效果好等优点。同时制作方便，便于标准化生产；
4、本发明提供一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，有利于进一步探究不同于普通周期结构具有的双级带隙和不同于一维双级结构声子晶体的方向带隙，并且在高频和低频处同时具有隔振效果。
附图说明
图1为本发明所述的具有双级带隙特性的的二维声子晶体周期结构结构图；
图2为本发明所述的具有双级带隙特性的的二维声子晶体周期结构正视图；
图3本发明所述的具有双级带隙特性的的二维声子晶体周期结构的单个胞元结构图；
图4本发明所述的具有双级带隙特性的的二维声子晶体周期结构的单个胞元正视图；
图5(a)和图5(b)为本发明所述的双级带隙特性的的二维声子晶体周期结构能带图；
图6为本发明所述的双级带隙特性的的二维声子晶体周期结构频响图；
图中1小截面圆柱、2大截面圆柱；
图中L为晶格常数，D1为大截面圆柱的半径，D2为小截面圆柱的半径，大截面圆柱的长度为L2，小截面圆柱的长度为L1，夹角为ϴ。P1为施加激励处，P2 为拾取响应处。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式提供了一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，所述周期结构包括若干个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，所述若干个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元呈周期性矩阵分布，且相邻两个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元固定连接；
所述具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元由四个杆件组成，四个杆件两两相交形成四边形框架，每个杆件包括三个小截面圆柱1和四个大截面圆柱2，四个大截面圆柱2与三个小截面圆柱1同轴设置，相邻两个大截面圆柱2之间设有一个小截面圆柱1，且小截面圆柱1的两端分别与对应的大截面圆柱2的一端固定连接，此为双级周期结构中的第二级周期，四个杆件两两相交时，位于相邻两个杆件端部的大截面圆柱2会产生干涉，在每个位于端部的大截面圆柱2上加工斜面，使相交的两个大截面圆柱2呈V字型结构，在V字型结构的尖端加工有连接平面，相邻两个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元通过了V字型结构上的连接平面固定连接。
本实施方式提供一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构其设计的灵感起源于自然界的生物的双级结构，例如蝴蝶翅膀具有宏观和微观的周期性，有利于重量的减少和疏水性，可以推测具有层次周期性的结构在弹性波传播方面表现出独特的功能。基于一维双级结构的研究，本次设计了一种二维的双级声子晶体的结构，不但具有双级带隙，而且具有方向带隙和全带隙。本结构具有两级带隙，分别来自于两级的微观结构，这种双级的设计不但减轻了结构本身的质量，而且拓宽了所产生带隙的范围和数量，实现了更好的隔振效果，本申请中所述的双级结构中的每一级在高频和低频处都可以产生带隙，所谓的双级的第一级为多个单个胞元组合形成的规律排列，第二级为单个胞元内部不同截面的杆形成的，两级周期都可以产生带隙为本申请所要保护结构的独特之处。
具体实施方式二：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的周期结构作进一步限定，本实施方式中，所述周期结构的水平方向设置n个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，竖直方向设置n个或m个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，周期结构中具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的分布为n*m型或n*n型。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中所用的声子晶体为二维声子晶体，水平和竖直方向有最简单单胞结构的排列组成，本结构单胞为图3所示，形成n*n的二维声子晶体结构图。其中形成单胞的结构有大截面圆柱1和小截面圆柱2组合排列而成。由杆件组成的单胞角度ϴ和长度L可自行调节，控制带隙形成的频段范围；
理想的周期结构模型一般为在非周期方向具有无限尺寸，这种假设只有在入射波长远小于非周期尺寸时才合理。由于固体的材料中弹性波传播速度很快，实际工程中广泛使用梁板类结构均不满足这一要求，因此非周期方向有限尺寸的周期结构更有实际意义。声子晶体的为解决振动和噪声提供了新思路。声子晶体这是一种具有弹性波带隙特性的复合材料，在带隙范围内振动形式不能通过声子晶体，在工程领域有广泛的应用前景。
具体实施方式三：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的周期结构作进一步限定，本实施方式中，所述周期结构中水平方向设置具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的个数n的取值范围为n≥3。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的周期结构作进一步限定，本实施方式中，所述周期结构中竖直方向设置具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的个数m的取值范围为m≥3。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的大截面圆柱2作进一步限定，本实施方式中，所述杆件中大截面圆柱2的端面直径是小截面圆柱1的端面直径的2-5倍。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述小截面圆柱1作进一步限定，本实施方式中，所述杆件中小截面圆柱1的长度是大截面圆柱2的长度的2-5倍。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述小截面圆柱1、大截面圆柱2和V形连接部3的材料作进一步限定，本实施方式中，所述的小截面圆柱1和大截面圆柱2的材料均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
工作原理
本发明在工作时先要确定周期结构的分布和周期结构中各个单胞的尺寸，结合图1和图2所示，单胞结构排列成4*4的周期结构，其中单胞的尺寸L为晶格常数，D1为大截面圆柱的半径，D2为小截面圆柱的半径，大截面圆柱的长度为L2，小截面圆柱的长度为L1，夹角为ϴ。本结构的材料采用光敏树脂。利用有限法对结构的带隙特性进行计算。此工作原理所涉及的案例其中：L=0.18m，D1=0.02m，D2=0.004，L2=0.035m，L1=0.01m，ϴ=90°；
本发明在检测时有两种计算方式，第一种是计算单个单胞结构形成二维周期结构的带隙通过comsol软件的固体力学模块输入模型和材料参数置周期性边界条件的方式，结合Bloch定理，设置简约波矢在单个胞元的简约布里渊区扫掠，具体划分与计算参照上述定理，即可获得图5中所示的能带图，在能带图中无色散曲线的部分即为弹性波传播不到的带隙区域。在本设计的中二维的声子晶体具有两个方向的周期，所以具有方向带隙，呈现如图5(a)中的方向带隙，即确定方向弹性波不可传播部分。在图5(b)中显示的微带隙与宏带隙分别是由于第一级和第二级的周期结构作用产生的隔振区间，第二种是在图2中p1位置施加一个正弦载荷，输出点选择在结构另一端的位置，例如选取图2中p2的位置作为拾取点，频响曲线中位移衰减幅度较大的位置可看作结构产生带隙的频率段，同样可以研究结构的带隙特性。两种方式计算出的结构带隙频段具有一定的对比性，通过图5，图6可见结构产生的带隙有全带隙和方向带隙，同时也有通过微观周期结构即单杆内1大截面圆柱，2小截面圆柱交替产生的周期，和宏观周期即单胞排列而成的整体二维结构产生的宏带隙和微带隙。可见本发明的优越性隔振性能。

Claims (7)

1.一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，其特征在于：所述周期结构包括若干个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，所述若干个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元呈周期性矩阵分布，且相邻两个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元固定连接；
所述具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元由四个杆件组成，四个杆件两两相交形成四边形框架，每个杆件包括三个小截面圆柱（1）和四个大截面圆柱（2），四个大截面圆柱（2）与三个小截面圆柱（1）同轴设置，相邻两个大截面圆柱（1）之间设有一个小截面圆柱（1），且小截面圆柱（1）的两端分别与对应的大截面圆柱（2）的一端固定连接，此为双级周期结构中的第二级周期，四个杆件两两相交时，位于相邻两个杆件端部的大截面圆柱（2）会产生干涉，在每个位于端部的大截面圆柱（2）上加工斜面，使相交的两个大截面圆柱（2）呈V字型结构，在V字型结构的尖端加工有连接平面，相邻两个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元通过了V字型结构上的连接平面固定连接。
2.根据权利要求1中所述的一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，其特征在于：所述周期结构的水平方向设置n个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，竖直方向设置n个或m个具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元，周期结构中具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的分布为n*m型或n*n型。
3.根据权利要求2中所述的一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，其特征在于：所述周期结构中水平方向设置具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的个数n的取值范围为n≥3。
4.根据权利要求3中所述的一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，其特征在于：所述周期结构中竖直方向设置具有双级带隙特性的二维声子晶体单个胞元的个数m的取值范围为m≥3。
5.根据权利要求4中所述的一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，其特征在于： 所述杆件中大截面圆柱（2）的端面直径是小截面圆柱（1）的端面直径的2-5倍。
6.根据权利要求5中所述的一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，其特征在于：所述杆件中小截面圆柱（1）的长度是大截面圆柱（2）的长度的2-5倍。
7.根据权利要求6中所述的一种具有双级带隙特性的二维声子晶体周期结构，其特征在于： 所述的小截面圆柱（1）和大截面圆柱（2）的材料均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种。
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