CN1797541A - 二维声子晶体隔音结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维声子晶体隔音结构，它由相互平行的刚性柱体在空气中按二维晶格周期结构排列组成；为有效阻隔声波，每一结构模式至少须五层柱体；为拓宽声波带隙频率范围，将几种晶格常数不同的结构层叠组合在一起，二维声子晶体结构隔音材料隔音效果好，制作工艺简单，可设计性强，适合于阻隔中高频段声波或做隔音墙体材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔音材料结构，特别涉及一种二维声子晶体隔音结构。
背景技术
人们在光子晶体的研究方面已取得了重大进展，鉴于声子晶体与光子晶体的类比性，近十年来，声子晶体逐渐成为了新的研究热点。声子晶体的一个重要特征是其声波带隙，即在该带隙频率范围内弹性波(声波)不能通过声子晶体。这一特性使得声子晶体具有广阔的实际应用前景，比如，我们可以根据这一新思想和新理论设计和制造出一种全新的隔音隔振功能材料。声子晶体材料可望在环保和建筑工业中得到广泛应用。
目前的隔音材料大多是常规阻尼材料，其结构一般是单层结构、中空结构或通过填充高性能纤维、高阻尼聚合物并进行特殊的混杂布置而形成的夹层结构，其设计和制作依据是质量定律和材料的内阻尼理论等。然而，这种传统的隔音技术在有的场合不太适应，其隔音效果不是很理想，材料物质的选择范围也比较窄，而且不易设计和制作出征对某特定频率范围进行隔音的隔音材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型隔音材料结构，它由两种或两种以上的弹性介质按周期性结构排列组成，即所说的声子晶体结构。
本发明的二维声子晶体隔音结构，由相互平行的刚性柱体在空气中按二维晶格周期排列组成，每一相同规格的刚性柱体至少需五层，且由两种或两种以上晶格常数不同的多层单元层叠组成。排列晶格可以是平行四边形、矩形、正方形或正六角形。刚性柱体横截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形等各种形状。刚性柱体可做成中空结构。刚性柱体横截面形状为正方形且按正方形晶格排列，刚性柱体的体积份数约为80％、柱体方位与晶格方位成26.56°夹角。上述各刚性柱体间通过加连接物将它们相互固定。上述各刚性柱体刚好相互触及时，用粘结剂将它们相互粘合起来。
声子晶体中声波带隙的产生和大小主要受以下因素影响：一、组成介质的质量密度、弹性常数、声波速度等物理参数；二、分散介质的几何形状、体积分数和排列方位；三、晶体的排列结构。通过调节和改变这些因素即可设计出我们所需要的带隙结构材料。
基于上述三方面因素的考虑及现实可行性要求，宜选择一种刚性物质分散于空气中而构成声子晶体隔音材料。比如，将相互平行的金属柱体或混凝土柱体在空气中作周期排列而构成的二维声子晶体。由五层刚性柱体构成的声子晶体具有很好的隔音效果。当然，层数越多其隔音性能势必越好，但如此一来材料的厚度也会增大。另外，由于在其它参数相同的条件下，声波带隙频率与晶格常数成反比关系。因此，要阻隔低频段声波，所设计的晶体的晶格常数须比较大。而要阻隔各个频段的声波，可将晶格常数不同的几个多层结构层叠在一起而构成。因为在实际使用中对材料的厚度通常都有限制，所以，这种二维声子晶体隔音材料适合于对中高频段声波进行隔音的场合，比如，可用于做加工厂或某些娱乐场所的隔音墙。
本发明所提供的二维声子晶体隔音结构，其隔音机理与制作方式与传统的隔音材料完全不同，可打破质量定律等限制。对制作材料的选择范围也比较广，可利用各种金属、非金属、聚合物等，将几种普通材料进行一定的排列组合即可设计出一种具有新用途的功能材料。而且，这种新型隔音材料隔音效果好，制作工艺简单，可设计性强。
附图说明
图1为实施例1的横截面示意图；
图2为实施例1中两种不同晶格常数的声波带隙频率范围；
图3为实施例2的横截面示意图；
图4为实施例2的成品示意图；
图5为实施例2中两种不同晶格常数的声波带隙频率范围。
具体实施方式
对于由刚性柱体分散于空气中所形成的二维声子晶体，柱体横截面形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形、六边形等，排列格子也可以取平行四边形、矩形、正方形或六角形等二维晶格。各柱体间可通过加一些连接物将它们固定，当各柱体刚好相互触及时，也可用粘结剂将它们粘合起来。晶格常数大的二维声子晶体用于阻隔低频段声波，晶格常数小的用于阻隔高频段声波。各相同规格的柱体至少取五层，将两个或两个以上晶格常数不同的这种多层结构层叠在一起组成。因为带隙结构与刚性柱体是否空心无关，所以，对于横截面较大的柱体可做成中空结构，中空部分的比率可由材料所需承受的力学荷载而确定。
实施实例1：本实施例选择的是铝合金(其弹性参数为：密度ρ＝2.80×103kg/m3，纵波波速Cl＝6.342×103m/s，横波波速Ct＝1.139×103m/s)圆柱体在空气背景中按正三角形(可归属于平行四边形)晶格排列的情形。图1为本实施例的横截面示意图，它由两个五层结构单元组成，各圆柱体间紧密排列，其中圆柱体1的半径为0.5cm，圆柱体2的半径为6.0cm，3为柱体的排列晶格，圆柱体内4为中空部分，5为柱体间的空隙部分。此隔音结构的总厚度约为30.3cm，可阻隔垂直入射声波的频率范围约为910Hz-60KHz。如图2所示，标示a和b分别表示晶格常数为1.0cm和6.0cm的声波带隙频率范围。
实施实例2：经计算比较发现，二维声子晶体的最优结构(即带隙最低、最宽时)为：柱体横截面形状为正方形、按正方形格子排列且柱体的体积份数比约为80％、柱体方位与晶格方位成26.56°夹角。本实施例即采用此最优结构，所选材料同实施例1。图3为本实施例的横截面示意图，由两个五层结构单元组成，其中方柱体7的边长为0.8cm，方柱体8的边长为5.0cm，9为柱体的排列晶格，方柱体内10为中空部分，11为柱体间的空隙部分，12表示柱体间粘接部分宽度，为柱体横截面边长的一半，方柱体与晶格方向的夹角13为26.56°。图4是此实施例的成品示意图，此隔音结构的总厚度约为32.5cm，可阻隔垂直入射声波的频率范围约为780Hz-36KHz。如图5所示，标示c和d分别为柱体横截面边长为0.8cm(晶格常数为0.894cm)和5.0cm(晶格常数为5.590cm)的声波带隙频率范围。
Claims (7)
1、一种二维声子晶体隔音结构，由相互平行的刚性柱体在空气中按二维晶格周期排列组成，其特征在于：每一相同规格的刚性柱体至少需五层，且由两种或两种以上晶格常数不同的多层单元层叠组成。
2、如权利要求1所述的二维声子晶体隔音结构，其特征在于：排列晶格可以是平行四边形、矩形、正方形或正六角形。
3、如权利要求1所述的二维声子晶体隔音结构，其特征在于：刚性柱体横截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三边形或六边形等各种形状。
4、如权利要求1或3所述的二维声子晶体隔音结构，其特征在于：刚性柱体可做成中空结构。
5、如权利要求1或2或3所述的二维声子晶体隔音结构，其特征在于：刚性柱体横截面形状为正方形且按正方形晶格排列，刚性柱体的体积份数约为80％、柱体方位与晶格方位成26.56°夹角。
6.如权利要求1所述的二维声子晶体隔音结构，其特征在于：上述各刚性柱体间通过加连接物将它们相互固定。
7.如权利要求1所述的二维声子晶体隔音结构，其特征在于：上述各刚性柱体刚好相互触及时，用粘结剂将它们相互粘合起来。
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