一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴制造技术

一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，具有低频减振特性，结构包括轴基体，以及在轴基体外沿x方向(轴向方向)周期性分布着多个局域共振子，每个局域共振子又由径向方向的离散散射体层和橡胶层交替分布组成。本发明专利技术的弹性超材料结构轴相对于传统的两级声子晶体轴在其附加重量可减轻34％，且带隙往低频移动，并且对三种弹性波都有可控制的带隙范围，其带隙还可通过调整每级中离散散射体圆弧段的角度和数量及径向方向的级数进行调节。由于本发明专利技术声子晶体轴的低频减振特性，因此在精密机械工程上有潜在的应用，可以对传动轴的低频振动进行控制。

【技术实现步骤摘要】
一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴
本专利技术属于功能材料
，特别涉及一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴。
技术介绍
声子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控弹性波的传输，落在带隙频率内弹性波的禁止传播。声子晶体已经广泛地应用于隔离噪声和振动，机械滤波器和导波管中。目前，声子晶体存在两种截然不同的禁带机制，即布拉格带隙机制和和局域共振型机制。布拉格带隙机理中声子晶体晶格常数与基体材料的禁带波长同数量级，这就限制了声子晶体晶格尺寸。2000年香港科技大学刘正猷提出局域共振型机制，他研究的一种三维三组元声子晶体结构(包裹橡胶的铅球周期性地插入到环氧树脂中)，晶格常数比基体材料中的禁带波长小两个数量级，成功地实现了小尺寸材料控制大波长声传播的目标。随后，局域共振机理的研究成为一个热点。Goffaux等人发现在包裹橡胶的铅柱周期性地插入到环氧树脂中的二维结构中存在狭窄的带隙。随后王刚把橡胶柱体插入到环氧树脂中由于橡胶本身的密度和弹性也得到了带隙。近年，一些学者对弹性波在周期粘附局域共振子的一维声子晶体结构中的传播特性进行了研究，并得到了期望的低频带隙。在工程机械中，特别是精密仪器中，轴的弹性振动是一个非常典型的问题，会减少轴的使用寿命和影响机器的精度及可靠运行。现有的传统单层声子晶体轴，其散射体为铅密度大，虽然禁带较低，但是散射体很重。但是在精密机械中，通常仅允许轴附加轻质的结构，并且轴的振动通常是种弹性振动(完曲振动，转振动、纵向振动)的耦合；而且，轴的振动频率通常随着转速的变化呈现多样化，亟需更丰富的调节方式。而目前已有单级传统离散化橡胶层的声子晶体轴，离散橡胶层虽然可以实现较低的带隙，但是由于散射体较重，橡胶的弧角的较小使得其支撑能力降低，可能导致严重的偏心问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，调节方式灵活，具有优异的低频振动(包含弯曲波、扭转波、纵波)带隙特性。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，包括轴基体1，在单一周期的轴基体1外沿包覆有橡胶环层2，在橡胶环层2外包覆散射体层3，橡胶环层2和散射体层3均为多层，沿径向交替分布，且在相邻橡胶环层2之间的散射体层3均沿圆周方向离散成m个弧段，m≥3。橡胶环层2和散射体层3数量相等，最外层为散射体层3，且最外层的散射体层3为封闭环层，所述轴基体1和散射体层3的材料均为环氧树脂。当离散的散射体层3超过2层时，相邻散射体层3的离散弧段径向对称或非对称分布。同一散射体层3中，各弧段的角度相等或不等。在轴向上，橡胶环层2和散射体层3也为多段结构，每一段中，橡胶环层2和散射体层3长度相等，相邻段之间，有一定间隔。当m＝3时，每段圆弧的中心角为15°。当离散的散射体层3从1层增加到2层时，其第一完全带隙降低。在散射体层3为3层，且离散的散射体层3为2层的三级结构中，2层离散的散射体层3由径向对称分布变为径向非对称分布，并且相邻两层散射体圆弧之间夹角为θ＝45°，其第一完全带隙降低。本专利技术优选方案：单个周期的轴向长度a＝0.075m，轴基体1外附加层即每一段橡胶环层2和散射体层3的轴向长度a1＝0.025m。轴基体1的截面半径r1为0.005m，橡胶环层2的径向宽度为0.003m，散射体层3的径向宽度为0.002m。本专利技术优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为2层，内侧的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.003m，散射体层3的径向宽度为0.002m，弧段的中心角均为15°。本专利技术优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为3层，第一层和第二层的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，第一层和第二层散射体层3的离散弧段径向对称均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.002m，散射体层3的径向宽度为0.001m，弧段的中心角均为15°。本专利技术优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为3层，第一层和第二层的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，第一层和第二层散射体层3的离散弧段径向非对称均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.002m，散射体层3的径向宽度为0.001m，弧段的中心角均为15°，在径向方向上相邻的两层散射体圆弧段之间的夹角θ＝0°。本专利技术优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为3层，第一层和第二层的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，第一层和第二层散射体层3的离散弧段径向非对称均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.002m，散射体层3的径向宽度为0.001m，弧段的中心角均为15°，在径向方向上相邻的两层散射体圆弧段之间的夹角θ＝45°。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术声子晶体轴与现有的两级轻质声子晶体轴相比在重量方面可减轻34％，并且带隙降低。其带隙还可通过调整散射散射体的角度进行调节，并且当散射层数量大于3时，通过改变散射层相邻层的圆弧位置进行调节。本专利技术声子晶体轴在精密机械工程上有潜在的应用，可以对传动轴的低频振动进行控制。附图说明图1是本专利技术的结构示意图(横截面)。图2是本专利技术的结构示意图(纵截面)。图3是具有离散散射体的两级轻质声子晶体轴的实波矢图。图4是具有离散散射体的两级轻质声子晶体轴的频率响应曲线图。图5是传统的两级轻质声子晶体轴的实波矢图。图6是传统的两级轻质声子晶体轴的频率响应曲线图。图7随着离散散射体中心角的变化的带隙调节图图8具有2层径向对称离散散射体层的三级声子晶体轴的实波矢图。图9具有2层径向非对称离散散射体层的三级声子晶体轴的实波矢图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。如图1和图2所示，本专利技术一种具有低频减振特性的多级化散射体层的声子晶体轴，包括轴基体1，在轴基体1外沿其轴向均匀交替设置有若干附加层，每个附加层由若干橡胶环层2和散射体层3组成，橡胶环层2包覆在轴基体1外，包覆散射体层3包覆在橡胶环层2外，在一个附加层中，橡胶环层2和散射体层3沿径向交替分布，除最外层的散射体层3外，其余散射体层3(即在相邻橡胶环层2之间的散射体层3)均沿圆周方向离散成m(m≥3)个弧段。在一个附加层中，最内层的散射体层3为第一层，则第t层散射体层3的各个散射体圆弧段的中心角分别为αt1、αt2、αt3……αtn，可以全部相等，也可分别不等。相应地，相邻散射体圆弧段之间的距离依次为βt1、βt2、βt3……βtn可以全部相等，也可分别不等，两个不同散射体层3之间的离散圆弧段之间的角度表示为θ。由此形成两层或者多层、相邻两层之间径向对称分布或者非对称分布的结构。本专利技术中，轴基体1、散射体层3和橡胶环层2的材料参数如表1所示。两层散射体层3的尺寸参数：轴基体1的截面半径r1＝0.005m，(轴基体1+橡胶环层2)的截面半径r2＝0.007m，(轴基体1+橡胶环层2+散射体层3)的截面半径r3＝0.08m，(轴基体1+橡胶环层2+散射体层3+橡胶环层4)的截面半径r4＝0.010m，(轴基体1+橡胶环层2+散射体层3+橡胶环层4+散射体层5)的截面半径r5＝0.011m。三层散射体层的尺寸参数：轴基体1的截面半径r1＝0.005m，(轴基体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，包括轴基体(1)，在单一周期的轴基体(1)外沿包覆有橡胶环层(2)，其特征在于，在橡胶环层(2)外包覆散射体层(3)，橡胶环层(2)和散射体层(3)均为多层，沿径向交替分布，且在相邻橡胶环层(2)之间的散射体层(3)均沿圆周方向离散成m个弧段，m≥3。

【技术特征摘要】
1.一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，包括轴基体(1)，在单一周期的轴基体(1)外沿包覆有橡胶环层(2)，其特征在于，在橡胶环层(2)外包覆散射体层(3)，橡胶环层(2)和散射体层(3)均为多层，沿径向交替分布，且在相邻橡胶环层(2)之间的散射体层(3)均沿圆周方向离散成m个弧段，m≥3。2.根据权利要求1所述一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，其特征在于，橡胶环层(2)和散射体层(3)数量相等，最外层为散射体层(3)，且最外层的散射体层(3)为封闭环层，所述轴基体(1)和散射体层(3)的材料均为环氧树脂。3.根据权利要求1或2所述一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，其特征在于，当离散的散射体层(3)超过2层时，相邻散射体层(3)的离散弧段径向对称或非对称分布。4.根据权利要求1或2所述一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，其特征在于，同一散射体层(3)中，各弧段的角度相等或不等。5.根据权利要求1所述一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，其特征在于，在轴向上，橡胶环层(2)和散射体层(3)也为多段结构，每一段中，橡胶环层(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽霞，吕锐翔，解妙霞，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61