CN207925129U - 一种含有两个谐振器的二维声子晶体 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种含有两个谐振器的二维声子晶体，包括谐振器、板坯基体和连接器构成的二维声子晶体元胞；元胞由板坯基体构成正方形中空外围，在板坯基体外围内嵌有两个连接器分别连接的两个谐振器；板坯基体呈平面四方阵列排布；元胞的板坯基体外边长a、板坯基体内边长c、谐振器长k1，k2和谐振器宽w1，w2满足a>c>k1>w1,a>c>k2>w2；连接器长b1,b2、宽h1，h2满足b1＝b2>h1＝h2。本声子晶体有较宽的低频带隙，降低了结构布置难度，提升了声学稳定性；两个谐振器比经典声子晶体面密度更小；在低频率下形成大带隙；本声子晶体可以通过调节连接器布局、谐振器尺寸、板坯基体厚度等来获得不同带隙。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种含有两个谐振器的二维声子晶体，具体涉及一种依靠局部共振以及谐振器与基体之间散射相互作用而在低频下打开带隙的二维声子晶体，研究技术属于减振降噪领域范围。
背景技术
过去二十年间，关于弹性波在周期性复合结构中传播问题，也就是声子晶体问题的研究颇多。声子晶体是由具有各种拓扑的矩阵中的夹杂物的周期性重复组成的人造介质，具有丰富的物理性质，例如负值折射，局部缺陷模式和声子带隙。其中声子带隙让声音和振动在任何方向被完全禁止，使得声子晶体在声学滤波器，噪声隔离器和声反射镜等声学设备的设计中有广泛的潜在应用。为了促进声子晶体在噪声控制和机械工程中的应用，在低频范围内采集具有大带宽的可调带宽是非常重要的。
对于二维声子带隙材料，已经进行了大量研究来探索具有优异带隙的声子晶体结构。Min等人研究了二维对称性对声子带隙的影响，包括六种格子布置的五种直杆的二元声子晶体；Hu等人提出了一种由二维亥姆霍兹共振器阵列组成的声子晶体，并分析了其结构的相对声折射率和声阻抗失配的性质。
Liu等人设计出一种新颖的声子晶体结构，其表现出比晶格常数小两个数量级的声子带隙，因此提出了局部共振机制。Hsu等报道了二元声子晶体板中兰姆波的局部共振带隙；Mohammadi等通过硅片的独立平板蚀刻六角形阵列的气孔来制造声子晶体板，测量的高频带隙与理论模拟非常匹配。
到目前为止，对板内谐振器的系统研究很少。随着谐振器放置在内部，整个结构将会随着一些材料的去除而变浅，同时体积更小。但目前并没有关于两个谐振器的声子晶体的研究报告产生。
因此，提供一种更小更轻且针对低频的含有两个谐振器的声子晶体结构是本实用新型需要解决的技术问题。
实用新型内容
为了克服现有技术中存在的不足，解决使针对低频的声子晶体拥有更小的晶体面密度的问题，提出一种含有两个谐振器的二维声子晶体结构。具有颈部结构的两个矩形夹杂物被引入声子晶体作为局部谐振器。本实用新型依靠局部共振以及谐振器与基体之间散射相互作用为打开低频带隙提供了可能性，由于空隙的引入，其组成几何结构相对经典声子晶体面密度更小，可用于机械工业设备的噪声控制与振动隔离器的设计。
为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
根据本实用新型提供的一个实施例，本实用新型提供了一种含有两个谐振器的二维声子晶体，包括谐振器、板坯基体和连接器构成的二维声子晶体元胞；元胞由所述板坯基体构成正方形中空外围，在板坯基体外围内嵌有两个连接器分别连接的两个谐振器；所述板坯基体B呈XY平面四方阵列排布，两个谐振器呈矩形；所述元胞的板坯基体外边长a、板坯基体内边长c、谐振器长k1、k2和谐振器宽w1、w2满足a>c>k1>w1,a>c>k2>w2；所述连接器长b1、b2和宽h1、h2满足b1＝b2>h1＝h2。
进一步，所述板坯基体晶格常数为42～60mm。
进一步，所述板坯基体内边长c为40mm，谐振器长k1、k2为20～36mm，谐振器宽w1、w2为8～15mm。连接器长b1、b2为3mm，宽h1、h2为2mm。
进一步，所述连接器沿所述板坯基体的正方形中空内沿按照同向连接、反向连接、相对连接或相邻连接。进一步，所述板坯基体采用橡胶材料。
进一步，所述谐振器与连接器采用金属铅材料。
进一步，所述板坯基体内部空腔呈真空状态。
本实用新型的特点在于：
1)本声子晶体仅需同种元胞结构就可以有较宽的低频带隙，无需多种元胞组合或多层结构，降低了结构布置难度，提升了结构的声学稳定性。
2)本声子晶体含有两个谐振器，比经典声子晶体面密度更小。
3)本声子晶体依靠谐振器的强烈共振和谐振器和基体之间的相互作用导致在低频率下形成大的带隙。
4)本声子晶体可以通过调节连接器布局、谐振器尺寸、板坯基体厚度等来获得不同带隙。
附图说明
图1为声子晶体的单个元胞示意图；
图2为声子晶体的元胞阵列示意图；
图3(a)、3(b)分别为声子晶体能带结构示意图与透射谱图；
图4(a)-4(g)分别为连接器布局对低频带隙的影响；
图5(a)-5(d)分别为谐振器尺寸对低频带隙的影响；
图6为板坯基体厚度对低频带隙的影响。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
图1、图2所示，本实用新型提供的一种含有两个谐振器的二维声子晶体，包括板坯基体B、谐振器A和连接器C构成的二维声子晶体元胞。板坯基体呈XY平面四方阵列排布，谐振器、连接器呈矩形。元胞由板坯基体构成正方形中空外围，内嵌两个谐振器与两个连接器。谐振器不与板坯基体直接相连而是由连接器间接相连。元胞满足元胞板坯基体外边长a、板坯基体内边长c、谐振器长k1、k2、谐振器宽w1、w2满足a>c>k1>w1,a>c>k2>w2。连接器长b1、b2和宽h1、h2满足b1＝b2>h1＝h2。
在该结构中，采用的结构参数是固定的，但是在实际过程中，连接器布局、谐振器尺寸、板坯基体厚度是可以变化的。在实施例中，可以优选为如图4(c)布局且a＝42mm,c＝40mm,w1＝w2＝15mm,k1＝k2＝36mm,h1＝h2＝2mm,b1＝b2＝3mm。
图1是按照图4(a)布局的含有两个谐振器的二维声子晶体元胞示意图。其中所标注分别称作谐振器A、板坯基体B、连接器C。
图3(a)、3(b)分别为按照图4(a)布局的含有两个谐振器的二维声子晶体能带结构示意图与透射谱图。在0Hz至50Hz的频率范围内，包含七个带两个带隙。第一个间隙位于第五和第六带之间，范围为34.2Hz至36.1Hz，间隙宽度为1.9Hz。定义为间隙宽度/中间间隙的相对间隙宽度为5.4％。第二间隙位于第六和第七频带之间，范围从42.5Hz至45Hz。带隙宽度和相对间隙宽度分别为2.5Hz和5.71％。这一情况下带隙的产生主要是由于谐振器的扭转和板坯基体的弯曲振动。
通过调节连接器布局、谐振器尺寸、板坯基体厚度等可以获得不同带隙。
如图4(a)-4(g)为连接器布局对低频带隙的影响。在0至100Hz的范围内，3型可以产生最好的第一带隙(从30Hz到42.5Hz)，其带隙宽度为12.5Hz。对于型号2，可以看出，其第一个带隙宽度仅为5Hz(40Hz至45Hz)。而4型则不能在低频下产生带隙。与按照图4(a)布局的含有两个谐振器的二维声子晶体能带结构示意图相比，发现一个连接器的分布将导致带隙的数量减少，第一个带隙宽度减小(从1.9Hz到12.5Hz)。因此，模型3是最优结构，其第一带隙的发生是由谐振器的扭转和板坯基体的弯曲振动引起的。图4(b)布局连接器是反向连接的，即两个连接器分别连接在板坯基体的正方形中空相对方向的内沿上、且交错分布。
如图4(c)所示，两个连接器分别连接在板坯基体的正方形中空相邻方向的内沿上。在采用图4(c)布局且保持晶格常数a＝50mm,c＝40mm,h1＝h2＝2mm,b1＝b2＝3mm情况下，有如图5(a)-图5(d)所示谐振器尺寸对带隙作用的影响，示出了以谐振器尺寸为因子的函数的频带结构。如图4(d)所示，两个连接器分别连接在板坯基体的正方形中空正对方向的内沿上。
从图5(a)和(c)可以看出，当参数k1或w1增加时，第一带隙的下边缘将减小，而上边缘几乎不变，因此带隙的宽度增加.也就是说参数k1或w1主要影响带隙的下边缘，对上边缘的影响有限。从图5(b)和(d)可以看出，当k2或w2变化时，第一带隙的宽度不会改变。从这些结果可以推断，各种谐振器尺寸对带隙的影响是不同的。第一个带隙对上谐振器尺寸敏感并且对下谐振器尺寸的变化不敏感。
如图6为板坯基体厚度对采用图4(c)布局的声子晶体的影响，即当参数c＝40mm不变时，参数a从42mm变为60mm。可以看出，带隙上边缘稳定在42Hz左右，下边缘从22Hz增长到31Hz，增长趋势缓慢。第一个带隙的宽度趋势可以从20Hz降低到12Hz。因此，当a＝42mm(覆盖厚度为2mm)时，存在有最大宽度的带隙为。
本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.一种含有两个谐振器的二维声子晶体，其特征在于包括谐振器、板坯基体和连接器构成的二维声子晶体元胞；元胞由所述板坯基体构成正方形中空外围，在板坯基体外围内嵌有两个连接器分别连接的两个谐振器；所述板坯基体呈XY平面四方阵列排布，两个谐振器呈矩形；所述元胞的板坯基体外边长a、板坯基体内边长c、谐振器长k1、k2和谐振器宽w1、w2满足a>c>k1>w1,a>c>k2>w2；所述连接器长b1、b2和宽h1、h2满足b1＝b2>h1＝h2。
2.根据权利要求1所述的一种含有两个谐振器的二维声子晶体，其特征在于所述板坯基体晶格常数为42～60mm。
3.根据权利要求1所述的一种含有两个谐振器的二维声子晶体，其特征在于所述板坯基体内边长c为40mm，谐振器长k1、k2为20～36mm，谐振器宽w1、w2为8～15mm；连接器长b1、b2为3mm，宽h1、h2为2mm。
4.根据权利要求1所述的一种含有两个谐振器的二维声子晶体，其特征在于所述连接器沿所述板坯基体的正方形中空内沿按照同向连接、反向连接、相对连接或相邻连接。
5.根据权利要求1所述的一种含有两个谐振器的二维声子晶体，其特征在于所述板坯基体采用橡胶材料。
6.根据权利要求1所述的一种含有两个谐振器的二维声子晶体，其特征在于所述谐振器与连接器采用金属铅材料。
7.根据权利要求1所述的一种含有两个谐振器的二维声子晶体，其特征在于所述板坯基体内部空腔呈真空状态。
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| CN201721769769.5U CN207925129U (zh) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | 一种含有两个谐振器的二维声子晶体 |
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- 2017-12-18 CN CN201721769769.5U patent/CN207925129U/zh active Active
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