CN210271768U - 一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型设计了一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，利用压电材料使得声子晶体中的散射体出现负等效弹性模量，从而出现类似于点缺陷的情况。通过改变压电片的位置来改变波的局域位置，并在原有禁带的频率下，增强了消声效果，相比较原有的传统缺陷态声子晶体板而言，具有明显的灵活性，在不改变声子晶体材料结构的基础上，声学黑洞的位置可以任意改变。
Description
技术领域
本实用新型属于一种控制波传播的声学黑洞装置，具体为一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，作用于各种声学滤波器中，实现可调通道滤波的功能，也能用于结构的故障检测中，做为一个健康监测系统面向各个领域。
背景技术
传统的缺陷态声子晶体分为点缺陷和线缺陷，点缺陷态声子晶体对于声子晶体局域特性产生显著影响，研究表明弹性波在点缺陷处局域，从而实现声学黑洞的特性，对于声子晶体的带隙而言，若在消声频率中出现点缺陷，将大幅度降低噪声，在实际应用中有很深远的影响，如图1是点缺陷态声子晶体运用到汽车车身顶棚的简化图和实物图，声子晶体本身具有消声带隙，在消声带隙中添加线缺陷可以使原来的消声效果更加明显，通过设计车身顶棚的声子晶体，使其缺陷态不会影响所在带隙内振动的衰减幅度，从而实现车身板件正贡献区域振动衰减的同时，避免负贡献区域振动衰减，从而实现车内噪声更有效的衰减。但是，传统的点缺陷声子晶体结构固定，消声位置不能改变，仅仅可以在原有的带隙中起到加强消声的作用，并不能控制波的局域位置，在实际应用中效果不是很显著。
江卫锋、殷鸣、殷国富等研究人员通过研究固/固型二维正方晶格的缺陷态声子晶体，发现弹性波在点缺陷处被局域，形成声学黑洞，为声学滤波器的设计提供了参考。图3为此设计的结构简图，当移除A处的单胞时，用COMSOL有限元软件计算的模态云图如图4(a)所示，当除去A和C处的单胞时，模态云图如图4(b)所示，验证了弹性波确实在点缺陷处被局域，此设计在不改变带隙的基础上实现了声学黑洞特性，有很强的实用价值，不过其也存在声学黑洞位置固定，缺陷态单一，太依赖于结构设计等弊端。
实用新型内容
针对背景中存在的问题和不足之处，本实用新型设计了一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，利用压电材料使得声子晶体中的散射体出现负等效弹性模量，从而出现类似于点缺陷的情况。通过改变压电片的位置来改变波的局域位置，并在原有禁带的频率下，增强了消声效果，相比较原有的传统缺陷态声子晶体板而言，具有明显的灵活性，在不改变声子晶体材料结构的基础上，声学黑洞的位置可以任意改变。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，所述晶体板包括金属基体、散射体、软质基体；其中，所述金属基体为矩形外框，在矩形框内设有软质基体，所述软质基体上均匀分布有孔，所述孔内用于放置散射体，在散射体的上下表面设置有压电片。
进一步的，所述散射体为金属柱体，所述金属柱体采用钢材料制成。
进一步的，所述金属外框为铝制成。
进一步的，所述软质基体采用橡胶制成。
作为一种优选，所述晶体板为矩形，所述散射体为n*n的散射体矩阵。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
在压电作用下散射体的等效弹性模量如图9所示，LCR电路中选取L＝7×10-3H C＝2×10-7F，当频率为29000Hz到30000Hz时，等效弹性模量为负，此时整体声子晶体体现为点缺陷的情形。选取声子晶体中某一个散射体安装上压电片，通过COMSOL软件计算其模态，可以看出其声波局域在安装压电片的散射体中，说明其压电型声子晶体对声学黑洞的位置起到了主动控制效果，通过计算器幅频响应曲线中也可以看出，在声子晶体的带隙范围内，在加入压电材后，消声效果明显增强，相比原有的结构增加了百分之30，这一结果对工程中的消声降噪也有很大的作用。
附图说明
图1、图2为汽车车身顶棚上点缺陷声子晶体的简化图和实物图；
图3为缺陷态声子晶体结构简图；
图4为缺陷态声子晶体模态云图；
图5、图6为声子晶体模型示意图；
图7为压电片安装示意图；
图8为LCR电路图；
图9为压电作用下的等效弹性模量示意图；
图10为散射体(钢柱)示意图；
图11为基体和软橡胶示意图；
图中，1为钢柱，2为铝基体，3为丁晴橡胶板，4为压电片。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合附图来详细说明本实用新型的技术方案，但本实用新型并不局限于此。
实施例1
如图10、图11所示，本实用新型提供的一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，所述晶体板包括金属基体、散射体、软质基体；其中，所述金属基体为矩形外框，在矩形框内设有软质基体，所述软质基体上均匀分布有孔，所述孔内用于放置散射体，在散射体的上下表面设置有压电片。
进一步的，所述散射体为金属柱体，所述金属柱体采用钢材料制成。
进一步的，所述金属外框为铝制成。
进一步的，所述软质基体采用橡胶制成。
作为一种优选，所述晶体板为矩形，所述散射体为n*n的散射体矩阵。
本实用新型基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，利用压电材料使得声子晶体中的散射体出现负等效弹性模量，从而出现类似于点缺陷的情况。通过改变压电片的位置来改变波的局域位置，并在原有禁带的频率下，增强了消声效果，相比较原有的传统缺陷态声子晶体板而言，具有明显的灵活性，在不改变声子晶体材料结构的基础上，声学黑洞的位置可以任意改变。
在压电作用下散射体的等效弹性模量如图9所示，LCR电路中选取L＝7×10-3H C＝2×10-7F，也可以选取其他LCR电路数据；当频率为29000Hz到30000Hz时，等效弹性模量为负，此时整体声子晶体体现为点缺陷的情形。选取声子晶体中某一个散射体安装上压电片，通过COMSOL软件计算其模态，可以看出其声波局域在安装压电片的散射体中，说明其压电型声子晶体对声学黑洞的位置起到了主动控制效果，通过计算器幅频响应曲线中也可以看出，在声子晶体的带隙范围内，在加入压电材后，消声效果明显增强，相比原有的结构增加了百分之 30，这一结果对工程中的消声降噪也有很大的作用。
本文提出的声子晶体板如图7所示，外部结构为铝作为基体，内部软结构为橡胶，中间散射体为钢材料，本实用新型中，基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板主要由声子晶体，压电片和LCR电路组成，具体操作方法是将压电片贴在需要产生声学黑洞的单个散射体(钢柱) 上，然后将压电片连接到LCR电路，通过改变LCR电路中电感和电容的数值，改变压电片的弹性模量，从而改变整个散射体的等效弹性模量，当整个散射体的弹性模量为负值时，声子晶体整体呈现点缺陷的情形，从而达到声学黑洞的效果，其中压电片安装方法和LCR电路组成由图7和图8所示。
在压电作用下散射体的等效弹性模量如图9所示，LCR电路中选取L＝7×10-3H C＝2×10-7F，当频率为29000Hz到30000Hz时，等效弹性模量为负，此时整体声子晶体体现为点缺陷的情形。选取声子晶体中某一个散射体安装上压电片，通过COMSOL软件计算其模态，可以看出其声波局域在安装压电片的散射体中，说明其压电型声子晶体对声学黑洞的位置起到了主动控制效果，通过计算器幅频响应曲线中也可以看出，在声子晶体的带隙范围内，在加入压电材后，消声效果明显增强，相比原有的结构增加了百分之30，这一结果对工程中的消声降噪也有很大的作用。
根据几何建模尺寸进行加工，各组分由表1给出，压电片根据实际需求进行采购安装， LCR电路中通过有效算法配备电感电容的数值，并接入到声子晶体中。在实际应用中，可以将此可调型压电声子晶体板作为滤波器放置在波源信号中，通过调节压电片的位置，过滤掉不需要的信号源。
表1
剖面图如图6所示，其中a＝0.36m,e＝0.018m,r＝0.012m,tsteel＝0.018m,trubber＝tAl＝0.003m。a 为橡胶板的长度，e为铝板的宽度，r为散射体的半径，tsteel为散射体高度，trubber和tAl分别为橡胶和铝板的厚度。其中，橡胶板的厚度远小于钢柱的高度，使整个晶体板在低频处出现黑洞现象。
以上对本实用新型所提供的基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法。本实用新型所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本实用新型。
Claims (5)
1.一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，其特征在于，所述晶体板包括金属基体、散射体、软质基体；其中，所述金属基体为矩形外框，在矩形框内设有软质基体，所述软质基体上均匀分布有孔，所述孔内用于放置散射体，在散射体的上下表面设置有压电片。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，其特征在于，所述散射体为金属柱体，所述金属柱体采用钢材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，其特征在于，所述金属外框为铝制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，其特征在于，所述软质基体采用橡胶制成。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于声学黑洞的可调型压电声子晶体板，其特征在于，所述晶体板为矩形，所述散射体为n*n的散射体矩阵。
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| CN109377977A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-02-22 | 南京航空航天大学 | 主动控制波传播路径的压电型声子晶体板及其应用 |
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