一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体制造技术

本发明专利技术提供一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体，涉及声学功能材料领域，包括三维声子晶体阵列，三维声子晶体阵列包括若干呈立方点阵列分布的最小单元细胞，最小单元细胞由八个反手性结构组成，反手性结构由立方结构和连杆结构组成，连杆结构在立方结构上呈反手性分布，连杆机构的外侧壁连接立方机构的外侧壁的一端，连杆结构的一端顶点与立方结构的一端顶点重合。本发明专利技术质量、体积小，具有中高频频宽带隙，制备方法简单，带隙可调。

An adjustable wide band gap dilated phononic crystal for medium and high frequency vibration reduction

【技术实现步骤摘要】
一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体
本专利技术属于声学功能材料领域，具体涉及一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体。
技术介绍
随着现代工业的发展，人类生活坏境中的噪声和振动问题日益突出。一方面，如何实现机电设备的减振降噪，保证机电设备安全、长寿命地工作是我们需要解决的问题；另一方面，大型机械设备的作业，带来的振动问题，不仅会对我们居住的楼房产生不可逆破坏，更会对人类产生身体健康影响。找到有效的抑制振动、降低噪音的办法，已经成为目前工业发展的一个重要课题。然而，目前的减振降噪材料大多是常规的阻尼性材料，一般包括单层、中空结构、或者依靠填充某些高性能纤维，高阻尼额聚合物，通过某些特殊的手段进行混合行程的夹层结构。这些设计和制备是根据质量定律和材料的内阻尼定律，其效果不明显，材料选择范围较窄，而且难于设计出对于特定频率的弹性波进行吸收的结构。随着科学技术的发展，人类在光子晶体上的研究已经取得了突破性的成绩，由于声子晶体与光子晶体的相似性，声子晶体及其应用已经成为新的研究热点。声子晶体存在声波带隙，即在该频率范围内，弹性波不能穿过声子晶体，这就使得声子晶体在振动的抑制和声波的吸收方面有着广阔的应用前景。近些年来，国内外学者在寻求带隙的声子晶体结构方面做了大量的研究。2000年，刘正猷利用局域共振的机理，设计的声子晶体可以对波长大于晶格尺寸两个数量级的弹性波进行控制。中国专利CN206946932U介绍了一种利用三维局域共振型声子晶体，打开了较宽的低频带隙。这些专利技术的声子晶体不仅存在带隙频率不够宽的问题，还存在基体质量大、传统机加工复杂的困难。2016年，郑辉等研究了二维手性结构带隙和传输谱，发现该结构在某些频率存在带隙和较低的弹性波透过率，Korner制备了一种可以3D打印的单相材料的三维声子晶体，2017年，Corigliano等利用振动模式分离的方法，设计了一种具有低频超宽带隙的三维声子晶体，这些研究有效的降低了制造结构质量，符合轻量化要求的同时加宽了带隙，但是，上述研究的结构，在其生产完成后，其带隙已经固定，无法改变，在减小尺寸、结构的重量，实现方便制备的同时，实现带隙的可调，并把其用于减振降噪领域成为了难题。因此急需提供一种质量、体积小，具有中高频频宽带隙，制备方法简单，带隙可调的可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体的不足，提供一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体。本专利技术提供了如下的技术方案：一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体，包括三维声子晶体阵列，所述三维声子晶体阵列包括若干呈立方点阵列分布的最小单元细胞，所述最小单元细胞由八个反手性结构组成，所述反手性结构由立方结构和连杆结构组成，所述连杆结构在所述立方结构上呈反手性分布，所述连杆机构的外侧壁连接所述立方机构的外侧壁的一端，所述连杆结构的一端顶点与所述立方结构的一端顶点重合。优选的，一个所述反手性结构包括一个所述立方结构和六个所述连杆结构，所述立方结构和所述连杆结构的材料相同。优选的，所述连杆结构的横截面的边长小于所述立方结构边长的五分之一，所述连杆结构的纵截面的边长大于所述立方结构边长的六分之一。本专利技术的有益效果是：在满足结构声学要求的前提下，通过采用单相材料，不引入散射体，减轻了结构的质量，减小了结构的尺寸，同时还获得了中高频频宽带隙；利用3D打印技术，制备方法简单；同时该结构在外力的作用下，带隙位置会发生变化，实现了带隙的可调。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是本专利技术实施例中声子晶体结构单胞模型图(a)和声子晶体实体图(b)；图2是本专利技术实施例中声子晶体拉胀性质的有限元模拟图(a)和声子晶体拉胀性质的力学实验图(b)；图3是本专利技术实施例中声子晶体的部分能带图(第一、二带隙)(a)和声子晶体在受到拉力发生5mm预应变时的部分能带图(第一、二带隙)(b)；图4本专利技术实施例中声子晶体未形变时的第一带隙下边界对应的模态(a)、声子晶体未形变时的第一带隙上边界对应的模态(b)、声子晶体未形变时的第二带隙下边界对应的模态(c)和声子晶体未形变时的第二带隙上边界对应的模态(d)；图5本专利技术实施例中声子晶体受到5mm预应变时的第一带隙下边界对应的模态(a)、声子晶体受到5mm预应变时的第一带隙上边界对应的模态(b)、声子晶体受到5mm预应变时的第二带隙下边界对应的模态(c)和声子晶体受到5mm预应变时的第二带隙上边界对应的模态(d)；图6是本专利技术实施例中声子晶体在受到带隙内频率振动和带隙外频率振动时，振动在声子晶体内的分布图；图7是本专利技术实施例中声子晶体在透射谱模拟中，受到不同预应变情况下，其第二带隙下边界的变化图。图中标记为：1、立方结构；2、连杆结构。具体实施方式如图1至图7所示，一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体，包括三维声子晶体阵列，三维声子晶体阵列包括若干呈立方点阵列分布的最小单元细胞，最小单元细胞由八个反手性结构组成，反手性结构由立方结构1和连杆结构2组成，连杆结构2在立方结构1上呈反手性分布，连杆机构的外侧壁连接立方机构的外侧壁的一端，连杆结构2的一端顶点与立方结构1的一端顶点重合。一个反手性结构包括一个立方结构1和六个连杆结构2，立方结构1和连杆结构2的材料相同。连杆结构2的横截面的边长小于立方结构1边长的五分之一，连杆结构2的纵截面的边长大于立方结构1边长的三分之一，立方结构1的边长为a，面心距为l，连杆结构2的横截面边长为t，纵截面的长度为(l-a)/2，连杆结构2的横截面边长t小于a的五分之一，纵截面的长度(l-a)/2大于a的六分之一。实施例声子晶体结构单胞沿x方向、y方向和z方向周期性延拓构成所述声子晶体，并用3D打印的方式构造实体，用有限元法计算所述声子晶体的带隙和振动模式。结构尺寸确定：力学测试中，结构参数t＝1.8mm，a＝9mm，l＝15mm。声学测试中，结构参数t＝1.8mm，a＝18mm，l＝30mm。为保证宽带隙的存在，连杆结构2的截面边长t需要小于立方体边长a的五分之一，长度(l-a)/2需要大于立方体边长a的三分之一。材料确定：力学测试中，材料为尼龙。杨氏模量E为1.6GPa，密度ρ为1150kg/m3，泊松比ν为0.4。声学测试中，材料为树脂。杨氏模量E为1.8GPa，密度ρ为1150kg/m3，泊松比ν为0.4。结构的生产：通过CAD软件进行建模，并用3D打印的方式制造实体模型。方法的适用性：对于不同声学特性的要求，重复以上步骤，可以制备满足既定要求的三维单相声子晶体。声子晶体结构单胞模型如图1中(a)所示，其为三维反手性结构，包括八个立方结构1，每个立方体结构有六个连杆相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体，其特征在于，包括三维声子晶体阵列，所述三维声子晶体阵列包括若干呈立方点阵列分布的最小单元细胞，所述最小单元细胞由八个反手性结构组成，所述反手性结构由立方结构和连杆结构组成，所述连杆结构在所述立方结构上呈反手性分布，所述连杆机构的外侧壁连接所述立方机构的外侧壁的一端，所述连杆结构的一端顶点与所述立方结构的一端顶点重合。/n

【技术特征摘要】
1.一种可用于中高频减振的可调宽带隙拉胀声子晶体，其特征在于，包括三维声子晶体阵列，所述三维声子晶体阵列包括若干呈立方点阵列分布的最小单元细胞，所述最小单元细胞由八个反手性结构组成，所述反手性结构由立方结构和连杆结构组成，所述连杆结构在所述立方结构上呈反手性分布，所述连杆机构的外侧壁连接所述立方机构的外侧壁的一端，所述连杆结构的一端顶点与所述立方结构的一端顶点重合。


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【专利技术属性】
技术研发人员：费翔，颜学俊，卢明辉，徐晓东，陈延峰，钱斯文，
申请(专利权)人：南京光声超构材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32