CN114999432B - 一种结合多单胞带隙的s型声子晶体周期结构 - Google Patents
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Abstract
一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，属于减振降噪技术领域，本发明为了解决现有声子晶体在低频范围内产生带隙时，存在尺寸大且带隙宽度窄的问题，本发明提供一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，所述周期结构包括m个S型声子晶体单个胞元，所述m个S型声子晶体单个胞元呈周期性矩阵排布，所述S型声子晶体单个胞元包括一号子胞元层、二号子胞元层和三号子胞元层，一号子胞元层、二号子胞元层和三号子胞元层右上至下依次设置，且相邻两个子胞元层之间通过连接杆相连，本申请改变声子晶体的周期排列方式，同时结合多种胞元，结合其带隙，达到良好的减振降噪的效果。
Description
技术领域
本发明属于减振降噪技术领域，具体涉及一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构。
背景技术
声子晶体是具有弹性波带隙的人工复合材料或周期结构。由于其带隙特性，近年来广受关注。处于声子晶体的禁带频率范围时，弹性波的传播受到阻碍，而在通带频率范围内，弹性波可以正常传播。因此，声子晶体在减振降噪领域具有广阔的应用前景。
工程实际应用中，许多工程装备面临振动问题，许多精密机械对减振的要求更为严格，利用声子晶体的带隙特性，将其运用于隔振结构中，可以达到良好的减振效果。目前，声子晶体在低频范围内产生带隙，存在尺寸大且带隙宽度窄的问题。
发明内容
本发明为了解决现有声子晶体在低频范围内产生带隙时，存在尺寸大且带隙宽度窄的问题，进而提供一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构；
一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，所述周期结构包括m个S型声子晶体单个胞元，所述m个S型声子晶体单个胞元呈周期性矩阵排布，m为正整数；
所述S型声子晶体单个胞元包括一号子胞元层、二号子胞元层和三号子胞元层，一号子胞元层、二号子胞元层和三号子胞元层由上至下依次设置，且一号子胞元层与二号子胞元层平行设置，一号子胞元层的两端分别设有一个一号连接杆，每个一号连接杆的一端与一号子胞元层的一端相连，每个一号连接杆的另一端与二号子胞元层对应的一端相连，三号子胞元层的两端分别设有一个二号连接杆，每个二号连接杆的一端与三号子胞元层的一端相连，每个二号连接杆的另一端与二号子胞元层对应的一端相连；
进一步地，所述一号子胞元层包括n个一号大截面长方体和n+1个一号小截面长方体，n为正整数，n+1个一号小截面长方体沿水平方向依次等距设置，每个一号大截面长方体设置在相邻两个一号小截面长方体之间，且每个一号小截面长方体的一端与一号大截面长方体一侧的中心处固定连接，每个一号大截面长方体的前侧沿竖直方向加工有一个一号长方形通孔，每个一号大截面长方体与一个一号小截面长方体组成一个一号子胞元，位于一号子胞元层两端的一号小截面长方体分别与一个一号连接杆相连；
进一步地，所述二号子胞元层为双排结构，两排二号子胞元上下平行设置，且两排二号子胞元构成相同，每排二号子胞元包括n个二号大截面长方体和n+1个二号小截面长方体，n+1个二号小截面长方体沿水平方向依次等距设置，每个二号大截面长方体设置在相邻两个二号小截面长方体之间，且每个二号小截面长方体的一端与二号大截面长方体一侧的中心处固定连接，每个二号大截面长方体的前侧沿水平方向加工等距加工有三个二号长方形通孔，每个二号大截面长方体与一个二号小截面长方体组成一个二号子胞元，位于两排二号子胞元中上排二号子胞元两端的二号小截面长方体分别与一个一号连接杆相连，位于两排二号子胞元中下排二号子胞元两端的二号小截面长方体分别与一个二号连接杆相连；
进一步地，所述三号子胞元层包括n个三号大截面长方体和n+1个三号小截面长方体，n+1个三号小截面长方体沿水平方向依次等距设置，每个三号大截面长方体设置在相邻两个三号小截面长方体之间，且每个三号小截面长方体的一端与三号大截面长方体一侧的中心处固定连接，每个三号大截面长方体的前侧沿水平方向等距加工有两个三号长方形通孔，每个三号大截面长方体与一个三号小截面长方体组成一个三号子胞元，位于三号子胞元层两端的三号小截面长方体分别与一个二号连接杆相连；
进一步地，所述一号大截面长方体、一号小截面长方体、二号大截面长方体、二号小截面长方体、三号大截面长方体和三号小截面长方体的材质均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种；
进一步地，所述m的取值范围为m≥1；
进一步地，所述n的取值范围为n≥5。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，形状不同的胞元形成的带隙位置不同，并结合不同胞元结构的带隙，从而拓宽带隙宽度，利用声子晶体的带隙特性，可以阻止特定频率范围内的弹性波传播，从而达到减振效果。
2、本发明提供一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，与传统的结构排布相比，不仅可以拓宽带隙的宽度，同时可以减小结构的厚度。
3、本发明提供一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，带隙频率可设计、针对性强、效果好等优势。同时制作工艺简单，方便标准化生产。
附图说明
图1为本发明中S型声子晶体单个胞元的轴侧示意图：
图2为本发明中S型声子晶体单个胞元的主视示意图；
图3为本发明中一号子胞元的轴侧示意图；
图4为本发明中二号子胞元的轴侧示意图；
图5为本发明中三号子胞元的轴侧示意图；
图6为本发明中一号子胞元的主视示意图；
图7为本发明中二号子胞元的主视示意图；
图8为本发明中三号子胞元的主视示意图；
图9为本发明中所述的结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构的能带图(纵坐标为频率，横坐标为波矢)；
图10为本发明中所述的结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构的频响图(纵坐标为位移，横坐标为频率)。
图中1一号子胞元层、11一号大截面长方体、12一号小截面长方体、2二号子胞元层、21二号大截面长方体、22二号小截面长方体、3三号子胞元层、31三号大截面长方体、32三号小截面长方体、4一号连接杆和5二号连接杆。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图10说明本实施方式，本实施方式提供一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，所述周期结构包括m个S型声子晶体单个胞元，所述m个S型声子晶体单个胞元呈周期性矩阵排布，m为正整数；
所述S型声子晶体单个胞元包括一号子胞元层1、二号子胞元层2和三号子胞元层3，一号子胞元层1、二号子胞元层2和三号子胞元层3由上至下依次设置，且一号子胞元层1与二号子胞元层2平行设置，一号子胞元层1的两端分别设有一个一号连接杆4，每个一号连接杆4的一端与一号子胞元层1的一端相连，每个一号连接杆4的另一端与二号子胞元层2对应的一端相连，三号子胞元层3的两端分别设有一个二号连接杆5，每个二号连接杆5的一端与三号子胞元层3的一端相连，每个二号连接杆5的另一端与二号子胞元层2对应的一端相连。
具体实施方式二：参照图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一号子胞元层1作进一步限定，本实施方式中所述一号子胞元层1包括n个一号大截面长方体11和n+1个一号小截面长方体12，n为正整数，n+1个一号小截面长方体12沿水平方向依次等距设置，每个一号大截面长方体11设置在相邻两个一号小截面长方体12之间，且每个一号小截面长方体12的一端与一号大截面长方体11一侧的中心处固定连接，每个一号大截面长方体11的前侧沿竖直方向加工有一个一号长方形通孔，每个一号大截面长方体11与一个一号小截面长方体12组成一个一号子胞元，位于一号子胞元层1两端的一号小截面长方体12分别与一个一号连接杆4相连。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：参照图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的二号子胞元层2作进一步限定，本实施方式中所述二号子胞元层2为双排结构，两排二号子胞元上下平行设置，且两排二号子胞元构成相同，每排二号子胞元包括n个二号大截面长方体21和n+1个二号小截面长方体22，n+1个二号小截面长方体22沿水平方向依次等距设置，每个二号大截面长方体21设置在相邻两个二号小截面长方体22之间，且每个二号小截面长方体22的一端与二号大截面长方体21一侧的中心处固定连接，每个二号大截面长方体21的前侧沿水平方向加工等距加工有三个二号长方形通孔，每个二号大截面长方体21与一个二号小截面长方体22组成一个二号子胞元，位于两排二号子胞元中上排二号子胞元两端的二号小截面长方体22分别与一个一号连接杆4相连，位于两排二号子胞元中下排二号子胞元两端的二号小截面长方体22分别与一个二号连接杆5相连。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10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的三号子胞元层3作进一步限定，本实施方式中所述三号子胞元层3包括n个三号大截面长方体31和n+1个三号小截面长方体32，n+1个三号小截面长方体32沿水平方向依次等距设置，每个三号大截面长方体31设置在相邻两个三号小截面长方体32之间，且每个三号小截面长方体32的一端与三号大截面长方体31一侧的中心处固定连接，每个三号大截面长方体31的前侧沿水平方向等距加工有两个三号长方形通孔，每个三号大截面长方体31与一个三号小截面长方体32组成一个三号子胞元，位于三号子胞元层3两端的三号小截面长方体32分别与一个二号连接杆5相连。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
结合具体实施方式一至具体实施方式四说明，本申请提供的一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，其设计目的是减少结构的厚度，同时达到良好的减振降噪的效果。基于此目的，本次设计S型声子晶体周期结构，改变声子晶体的周期排列方式，同时结合多种胞元，结合其带隙，达到良好的减振降噪的效果；
所述周期结构中m个结合多单胞带隙的S型声子晶体单个胞元均沿竖直方向设置，位于上部的S型声子晶体单个胞元中三号子胞元层3中心的三号大截面长方体31下方设有连接方体，通过连接方体与位于下部的S型声子晶体单个胞元中一号子胞元层1的三号大截面长方体11上的连接方体相连接；
理想的周期结构模型一半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。
具体实施方式五：参照图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的锁紧机构作进一步限定，本实施方式中所述一号大截面长方体11、一号小截面长方体12、二号大截面长方体21、二号小截面长方体22、三号大截面长方体31和三号小截面长方体32的材质均为光敏树脂、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四相同。
具体实施方式六：参照图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的m作进一步限定，本实施方式中所述m的取值范围为m≥1。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：参照图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的n作进一步限定，本实施方式中所述n的取值范围为n≥5。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
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，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，h为每两层间的距离，a0为两层间连接体的宽度，h和a0可根据需要设计，本专利均设置为0.02m。此案例所涉及的几何参数见下表：
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。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。可见本发明的优越性隔振性能。
Claims (2)
1.一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，其特征在于：所述周期结构包括m个S型声子晶体单个胞元，所述m个S型声子晶体单个胞元呈周期性矩阵排布；
所述S型声子晶体单个胞元包括一号子胞元层（1）、二号子胞元层（2）和三号子胞元层（3），一号子胞元层（1）、二号子胞元层（2）和三号子胞元层（3）由上至下依次设置，且一号子胞元层（1）与二号子胞元层（2）平行设置，一号子胞元层（1）的两端分别设有一个一号连接杆（4），每个一号连接杆（4）的一端与一号子胞元层（1）的一端相连，每个一号连接杆（4）的另一端与二号子胞元层（2）对应的一端相连，三号子胞元层（3）的两端分别设有一个二号连接杆（5），每个二号连接杆（5）的一端与三号子胞元层（3）的一端相连，每个二号连接杆（5）的另一端与二号子胞元层（2）对应的一端相连；
所述一号子胞元层（1）包括n个一号大截面长方体（11）和n+1个一号小截面长方体（12），n+1个一号小截面长方体（12）沿水平方向依次等距设置，每个一号大截面长方体（11）设置在相邻两个一号小截面长方体（12）之间，且每个一号小截面长方体（12）的一端与一号大截面长方体（11）一侧的中心处固定连接，每个一号大截面长方体（11）的前侧沿竖直方向加工有一个一号长方形通孔，每个一号大截面长方体（11）与一个一号小截面长方体（12）组成一个一号子胞元，位于一号子胞元层（1）两端的一号小截面长方体（12）分别与一个一号连接杆（4）相连；
所述二号子胞元层（2）为双排结构，两排二号子胞元上下平行设置，且两排二号子胞元构成相同，每排二号子胞元包括n个二号大截面长方体（21）和n+1个二号小截面长方体（22），n+1个二号小截面长方体（22）沿水平方向依次等距设置，每个二号大截面长方体（21）设置在相邻两个二号小截面长方体（22）之间，且每个二号小截面长方体（22）的一端与二号大截面长方体（21）一侧的中心处固定连接，每个二号大截面长方体（21）的前侧沿水平方向加工等距加工有三个二号长方形通孔，每个二号大截面长方体（21）与一个二号小截面长方体（22）组成一个二号子胞元，位于两排二号子胞元中上排二号子胞元两端的二号小截面长方体（22）分别与一个一号连接杆（4）相连，位于两排二号子胞元中下排二号子胞元两端的二号小截面长方体（22）分别与一个二号连接杆（5）相连；
所述三号子胞元层（3）包括n个三号大截面长方体（31）和n+1个三号小截面长方体（32），n+1个三号小截面长方体（32）沿水平方向依次等距设置，每个三号大截面长方体（31）设置在相邻两个三号小截面长方体（32）之间，且每个三号小截面长方体（32）的一端与三号大截面长方体（31）一侧的中心处固定连接，每个三号大截面长方体（31）的前侧沿水平方向等距加工有两个三号长方形通孔，每个三号大截面长方体（31）与一个三号小截面长方体（32）组成一个三号子胞元，位于三号子胞元层（3）两端的三号小截面长方体（32）分别与一个二号连接杆（5）相连；
m为大于等于1的正整数；
n为大于等于5的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种结合多单胞带隙的S型声子晶体周期结构，其特征在于：所述一号大截面长方体（11）、一号小截面长方体（12）、二号大截面长方体（21）、二号小截面长方体（22）、三号大截面长方体（31）和三号小截面长方体（32）的材质均为光敏树脂、环氧树脂和PLA材料中的任意一种。
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-
2022
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