CN114992265B - 自旋式声子晶体结构及其应用和隔声、隔振材料 - Google Patents

自旋式声子晶体结构及其应用和隔声、隔振材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超材料技术领域，提供了一种自旋式声子晶体结构及其应用和隔声、隔振材料。自旋式声子晶体结构，包括球形壳体以及设置在球形壳体内的自旋转机构；自旋转机构包括至少两根悬臂杆以及滑动设置于每根悬臂杆上的至少两个磁性块，每根悬臂杆上设置的磁性块的数量相同，每根悬臂杆上的相邻两个磁性块靠近的端部极性相同，至少两根悬臂杆连接于中心结点且关于中心结点球对称；每根悬臂杆远离中心结点的端部均与球形壳体的内壁滑动接触。隔声材料或隔振材料，包括上述自旋式声子晶体结构。上述自旋式声子晶体结构在受到振动时，内部结构随振动方向发生自适应旋转，从而实现全向性振动波/声波的有效隔离，可应用于隔振或隔声等领域中。

Description

自旋式声子晶体结构及其应用和隔声、隔振材料
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，具体而言，涉及一种自旋式声子晶体结构及其应用和隔声、隔振材料。
背景技术
人造声子晶体超材料是近年来备受关注的科研主体，其波禁、波调控和波汇集特性在隔声、隔振(震)、隐身及能量回收领域具有广阔的应用前景。
现实生活中的噪音、地震、机床振动、运载工具振动及交通引起的环境振动都是低频振动，采取有效措施达到隔声和隔振的目的，对于提高人们生活质量和延长机械设备及建筑物使用寿命具有重要意义。
线性声子晶体超材料的研究表明，要想使禁振带隙控制到100Hz以下是极为困难的，这在很大程度上限制了线性声子晶体超材料在实际问题中的应用。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种自旋式声子晶体结构及其应用和隔声、隔振材料，旨在改善背景技术提到的至少一种问题。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种自旋式声子晶体结构，包括球形壳体以及设置在球形壳体内的自旋转机构；
自旋转机构包括至少两根悬臂杆以及滑动设置于每根悬臂杆上的至少两个磁性块，每根悬臂杆上设置的磁性块的数量相同，每根悬臂杆上的相邻两个磁性块靠近的端部极性相同，至少两根悬臂杆连接于中心结点且关于中心结点球对称；
每根悬臂杆远离中心结点的端部均与球形壳体的内壁滑动接触。
在可选的实施方式中，每根悬臂杆的端部设置有安装座，安装座具有碗口槽，碗口槽内设置有与其形状和大小匹配的旋转滚珠，旋转滚珠超过一半的部分被容纳于碗口槽内，另一部分裸露于碗口槽之外，旋转滚珠的直径大于碗口槽开口的口径，每个旋转滚珠均与球形壳体的内壁接触。
在可选的实施方式中，每个磁性块均为环形，通过套设的方式滑动设置于对应的悬臂杆上。
在可选的实施方式中，每根悬臂杆靠近其端部的位置设置有用于对磁性块进行限位的环形限位件。
在可选的实施方式中，自旋式声子晶体结构还包括安装件，安装件的中心与中心结点重合，每根悬臂杆远离球形壳体的端部均与安装件连接。
在可选的实施方式中，悬臂杆的数量为至少四根；优选地，悬臂杆的数量为6。
在可选的实施方式中，每个磁性块的形状、大小以及磁性完全相同。
第二方面，本发明提供一种隔声材料，包括隔声颗粒，隔声颗粒为如前述实施方式任一项的自旋式声子晶体结构。
第三方面，本发明提供一种隔振材料，包括隔振颗粒，隔振颗粒为如前述实施方式任一项的自旋式声子晶体结构。
第四方面，本发明提供如前述实施方式任一项的自旋式声子晶体结构在隔声或隔振领域的应用。
本发明实施例的有益效果包括，例如：
通过上述设计得到的自旋式声子晶体结构，为基于非线性声子晶体原理开发人造超原子结构，通过自旋转机构的具体设置，相邻两磁性块之间的距离与相邻两磁性块之间同极斥力成非线性关系，其具有低频、宽带隙特性；可实现自旋式声子晶体结构在受到振动，甚至是低频振动(噪声、环境振动)影响时，悬臂杆的端部沿球形外壳内壁滑动，使该声子结构内部结构随振动方向发生自适应旋转，从而实现全向性振动波/声波的有效隔离。而通过调控悬臂杆的数量、磁性块的数量以及磁性块的磁性强度可实现该自旋式声子晶体结构在不同频率范围内具有隔声、隔振功能。
故通过上述设计的自旋式声子晶体结构具有频带调控功能(调整悬臂杆的数量、磁性块的数量以及磁性块的磁性强度)和方向调控功能(声子结构内部结构随振动方向发生自适应旋转)，能够满足禁振频带与环境中的振动波频率和方向相匹配。
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为本申请实施例提供的自旋式声子晶体结构剖去部分球形壳体后可见的结构示意图；
图2为图1中自旋转机构的结构示意图；
图3为悬臂杆及与其配合的单元构成的结构的剖视图；
图4为安装座与旋转滚珠构成的结构的剖视图。
图标：100-自旋式声子晶体结构；110-球形壳体；120-自旋转机构；121-悬臂杆；122-磁性块；123-限位件；124-安装件；125-旋转滚珠；130-安装座；131-碗口槽。
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，若出现术语“上”、“下”、“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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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。
请参考图1和图2，本申请实施例提一种自旋式声子晶体结构100，包括球形壳体110以及设置在球形壳体110内的自旋转机构120；
自旋转机构120包括至少两根悬臂杆121以及滑动设置于每根悬臂杆121上的至少两个磁性块122，每根悬臂杆121上设置的磁性块122的数量相同，每根悬臂杆121上的相邻两个磁性块122靠近的端部极性相同，至少两根悬臂杆121连接于中心结点且关于中心结点球对称；
每根悬臂杆121远离中心结点的端部均与球形壳体110的内壁滑动接触。
本申请实施例提供的自旋式声子晶体结构100，为基于非线性声子晶体原理开发人造超原子结构，通过自旋转机构120的具体设置，相邻两磁性块122之间的距离与相邻两磁性块122之间同极斥力成非线性关系，其具有低频、宽带隙特性；可实现自旋式声子晶体结构100在受到振动(例如噪声、环境振动)影响时，悬臂杆121的端部沿球形外壳内壁滑动，使该声子结构内部结构随振动方向发生自适应旋转，从而实现全向性振动波/声波的有效隔离。而通过调控悬臂杆121的数量、磁性块122的数量以及磁性块122的磁性强度可实现该自旋式声子晶体结构100在不同频率范围内具有隔声、隔振功能。
优选地，球形壳体110的内壁光滑。
内壁光滑则悬臂杆121的端部在球形壳体110内壁自适应滑动时受到的摩擦力小，使得自旋转机构120在受到振动时更易发生自适应性旋转，灵敏度更高。
进一步地，每根悬臂杆121的端部设置有安装座130，安装座130具有碗口槽131，碗口槽131内设置有与其形状和大小匹配的旋转滚珠125，旋转滚珠125超过一半的部分被容纳于碗口槽131内，另一部分裸露于碗口槽131之外，旋转滚珠125的直径大于碗口槽131开口的口径，每个旋转滚珠125均与球形壳体110的内壁接触。
通过在悬臂杆121的端部设置旋转滚珠125来实现自旋转机构120的自适应旋转具有更易滑动的特点，可以进一步提高灵敏度。本申请旋转滚珠125以及碗口槽131配合结构的设置可以避免旋转滚珠125从悬臂杆121上脱离。
需要说明的是，在本申请的其他实施例中，即使不设置旋转滚珠125，只要球形壳体110的内壁以及与该内壁接触的悬臂杆121的端部足够光滑，也可实现自旋转机构120受到振动时自适应性旋转。
优选地，每个磁性块122均为环形，通过套设的方式滑动设置于对应的悬臂杆121上。
磁性块122为环形的结构具有制造安装方便、易实现对称的要求的优点。
优选地，每根悬臂杆121靠近其端部的位置设置有用于对磁性块122进行限位的环形限位件123，所有悬臂杆121上设置的环形限位件123关于中心结点球对称。
环形限位件123的设置主要是为了避免自旋式声子晶体结构100制造安装过程滑落悬臂杆121，故环形限位件123的设置主要是为了便于自旋式声子晶体结构100的制造安装，还可以避免磁性块122滑动至与球形壳体110接触的端部增大自旋式声子晶体结构100与球形壳体110的接触面积从而影响自旋式声子晶体结构100的灵敏度。
进一步地，自旋式声子晶体结构100还包括安装件124，安装件124的中心与中心结点重合，每根悬臂杆121远离球形壳体110的端部均与安装件124连接。
通过安装件124实现所有悬臂杆121的连接仅仅为一种常规的连接方式。为便于本申请提供的自旋式声子晶体结构100的大批量生产，最快捷的方式是通过一体成型的方式(例如3D打印或浇筑等方式)制造多根悬臂杆121连接的结构。
优选地，悬臂杆121的数量为至少四根。本实施例中，悬臂杆121的数量为6个，6个悬臂杆121两两处于一条直线上，其延伸方向分别与三维坐标的x、y、z轴相同。每根悬臂杆121上磁性块122的数量为5个，每个磁性块122的形状、大小以及磁力完全相同，而由于每个磁性块122完全相同，因此相邻磁性块122之间斥力的作用相同，则相邻磁性块122之间在未受到振动影响下的间距是相同的。
需要说明的是，在本申请的其他实施例中，悬臂杆121的数量还可以是4个、5个或7个及其以上。多个悬臂杆121的设置只要满足球对称即可。
在本申请的其他实施例中，磁性块122的数量还可以是2个、3个、4个或者大于5个，具体数量根据所需要隔振或隔声的频率要求进行确定。
对本申请实施例提供的自旋式声子晶体结构100经实验时验证，可将禁振带隙降低至20Hz以下，说明该结构应用至超材料中可实现很好的减震、降噪效果。
本申请实施例还提供一种隔声材料，其包括隔声颗粒，该隔声颗粒为本申请实施例提供的自旋式声子晶体结构100。该隔声材料由于包括了本申请提供的自旋式声子晶体结构100的颗粒，因此该隔声材料在受到噪音的低频振动时其内部能够发生自适应性旋转以抵消这种振动，从而达到隔声的效果。
本申请实施例还提供一种隔振材料，其包括隔振颗粒，该隔振颗粒为本申请实施例提供的自旋式声子晶体结构100。该隔振材料由于包括了本申请提供的自旋式声子晶体结构100的颗粒，因此该隔振材料在受到振动时其内部能够发生自适应性旋转以抵消这种振动，从而达到隔震的效果。
本申请还提供自旋式声子晶体结构100在隔声或隔振等领域的应用。
综上，本申请实施例提供的自旋式声子晶体结构100，为基于非线性声子晶体原理开发人造超原子结构，通过自旋转机构120的具体设置，相邻两磁性块122之间的距离与相邻两磁性块122之间同极斥力成非线性关系，其具有低频、宽带隙特性；可实现自旋式声子晶体结构100在受到振动(例如噪声、环境振动)影响时，悬臂杆121的端部沿球形外壳内壁滑动，使该声子结构内部结构随振动方向发生自适应旋转，从而实现全向性振动波/声波的有效隔离。而通过调控悬臂杆121的数量、磁性块122的数量以及磁性块122的磁性强度可实现该自旋式声子晶体结构100在不同频率范围内具有隔声、隔振功能。
因此，本申请提供的自旋式声子晶体结构100具有频带调控功能(调整悬臂杆121的数量、磁性块122的数量以及磁性块122的磁性强度)和方向调控功能(声子结构内部的结构随振动方向发生自适应旋转)，能够满足禁振频带与环境中的振动波频率和方向相匹配。
本申请实施例提供的隔声材料，由于包括了本申请提供的自旋式声子晶体结构100的颗粒，因此该隔声材料可以达到很好的隔声效果。
本申请实施例提供的隔振材料，由于包括了本申请提供的自旋式声子晶体结构100的颗粒，因此该隔振材料可以达到很好的隔振效果。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种自旋式声子晶体结构，其特征在于，包括球形壳体以及设置在所述球形壳体内的自旋转机构；
所述自旋转机构包括至少两根悬臂杆以及滑动设置于每根所述悬臂杆上的至少两个磁性块，每根所述悬臂杆上设置的所述磁性块的数量相同，每根所述悬臂杆上的相邻两个磁性块靠近的端部极性相同，所述至少两根悬臂杆连接于中心结点且关于所述中心结点球对称；
每根所述悬臂杆远离所述中心结点的端部均与所述球形壳体的内壁滑动接触。
2.根据权利要求1所述的自旋式声子晶体结构，其特征在于，每根所述悬臂杆的端部设置有安装座，所述安装座具有碗口槽，所述碗口槽内设置有与其形状和大小匹配的旋转滚珠，所述旋转滚珠超过一半的部分被容纳于所述碗口槽内，另一部分裸露于所述碗口槽之外，所述旋转滚珠的直径大于所述碗口槽开口的口径，每个所述旋转滚珠均与所述球形壳体的内壁接触。
3.根据权利要求1所述的自旋式声子晶体结构，其特征在于，每个所述磁性块均为环形，通过套设的方式滑动设置于对应的所述悬臂杆上。
4.根据权利要求3所述的自旋式声子晶体结构，其特征在于，每根所述悬臂杆靠近其端部的位置设置有用于对所述磁性块进行限位的环形限位件。
5.根据权利要求1所述的自旋式声子晶体结构，其特征在于，所述自旋式声子晶体结构还包括安装件，所述安装件的中心与所述中心结点重合，每根所述悬臂杆远离所述球形壳体的端部均与所述安装件连接。
6.根据权利要求1所述的自旋式声子晶体结构，其特征在于，所述悬臂杆的数量为至少四根。
7.根据权利要求6所述的自旋式声子晶体结构，其特征在于，所述悬臂杆的数量为6。
8.根据权利要求1所述的自旋式声子晶体结构，其特征在于，每个所述磁性块的形状、大小以及磁性完全相同。
9.一种隔声材料，其特征在于，包括隔声颗粒，所述隔声颗粒为如权利要求1～8任一项所述的自旋式声子晶体结构。
10.一种隔振材料，其特征在于，包括隔振颗粒，所述隔振颗粒为如权利要求1～8任一项所述的自旋式声子晶体结构。
11.如权利要求1～8任一项所述的自旋式声子晶体结构在隔声或隔振领域的应用。
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