一种仿生声子晶体及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种仿生声子晶体及其制作方法，包括串珠结构，所述串珠结构包括多个单胞结构，所述单胞结构包括第一中心纤维以及包裹在所述第一中心纤维表面的珠结构，所述多个单胞结构的第一中心纤维沿其延伸方向顺序连接；所述珠结构的材料是根据所述珠结构的材料参数确定的，所述珠结构的材料参数是根据仿生声子晶体的工作频率要求预先确定的，所述材料参数包括剪切模量和/或密度；其中，所述第一中心纤维的剪切模量比所述珠结构的剪切模量大1至2个数量级，所述第一中心纤维的密度和所述珠结构的密度处于同一数量级，从而可以使得仿生声子晶体的带隙中心频率和带隙宽度在预设范围内，进而使得仿生声子晶体的工作频率在预设范围内。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生声子晶体及其制作方法
本专利技术涉及声子晶体
，更具体地说，涉及一种仿生声子晶体及其制作方法。
技术介绍
声学技术被广泛应用于生产生活中的各个层面。先进声学材料和结构的设计与制备，是实现一系列声学应用的必要条件。声子晶体作为一种材料参数周期分布的声学材料和结构，具有弹性波带隙特性，即：能够阻止带隙频率范围内的弹性波在其中传播。利用这一特性，声子晶体可广泛应用于无损检测、信号传输、结构保护等诸多工程领域。对于声子晶体的研究，主要围绕其弹性波带隙的调控与应用等方面展开。根据带隙形成机制的不同，声子晶体主要可划分为两种类型，分别为布拉格散射型和局域共振型。目前，这两类声子晶体在实际应用中均存在着一定的局限性。其中，布拉格散射型声子晶体的弹性波带隙是由于特定频率的弹性波在周期性散射体中传播时发生的干涉相消现象而形成。这一机制限定了第一带隙中心频率所对应的弹性波波长为声子晶体单胞(即最小周期单元)尺寸的二倍。因此，当该类声子晶体的几何尺寸确定时，很难实现对带隙中心频率的进一步调控。相比之下，局域共振型声子晶体带隙的产生主要依赖弹性波与声子晶体结构局部耦合所引发的共振效应。这一机制为实现弹性波带隙的亚波长调控，即：利用较小的结构尺寸来阻止较长波长的波，提供了可能。然而，通常情况下，局域共振现象所覆盖的频率范围一般较小，使得该类声子晶体的带隙宽度一般较窄。这种工作频率范围上的限制，是局域共振型声子晶体在实际应用中，所面临的和亟待解决的重要技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种仿生声子晶体及其制作方法，以拓宽局域共振型声子晶体的工作频率范围。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种仿生声子晶体，包括串珠结构，所述串珠结构包括多个单胞结构，所述单胞结构包括第一中心纤维以及包裹在所述第一中心纤维表面的珠结构，所述多个单胞结构的第一中心纤维沿其延伸方向顺序连接；所述珠结构的材料是根据所述珠结构的材料参数确定的，所述珠结构的材料参数是根据仿生声子晶体的工作频率要求预先确定的，所述材料参数包括剪切模量和/或密度；其中，所述第一中心纤维的剪切模量比所述珠结构的剪切模量大1至2个数量级，所述第一中心纤维的密度和所述珠结构的密度处于同一数量级。可选地，所述仿生声子晶体包括多个沿第一方向依次排列的串珠结构以及多个沿所述第二方向依次排列的第二中心纤维，所述第一方向和所述第二方向垂直；所述第一中心纤维的延伸方向与所述第二方向相同，所述第二中心纤维的延伸方向与所述第一方向相同，所述第二中心纤维与所述第一中心纤维交叉固定。可选地，所述第二中心纤维为细长圆柱体。可选地，所述第二中心纤维的直径范围为1h～10h；其中h为所述第一中心纤维的直径。可选地，所述第二中心纤维的材料包括聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、尼龙和聚碳酸酯。可选地，所述第一中心纤维为细长圆柱体；优选所述第一中心纤维的直径范围为1μm～1cm；优选所述珠结构为类球体或类椭球体；优选所述珠结构在垂直于第一中心纤维方向的直径范围为3h～5h，其中h为所述第一中心纤维的直径；优选所述第一中心纤维的材料包括聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、尼龙和聚碳酸酯；所述珠结构的材料包括硅橡胶、聚二甲硅氧烷、低密度聚乙烯和聚四氟乙烯。可选地，所述珠结构通过胶接的方式包裹在所述第一中心纤维表面。可选地，所述串珠结构中所述珠结构的个数大于或等于6。一种仿生声子晶体的制作方法，所述方法包括：确定单胞结构的尺寸以及第一中心纤维的材料；计算具有不同材料的珠结构的单胞结构的能带曲线，根据所述能带曲线以及仿生声子晶体的工作频率要求确定所述珠结构的材料参数取值范围，所述材料参数包括剪切模量和/或密度；根据所述珠结构的材料参数取值范围确定所述珠结构的材料。与现有技术相比，本专利技术所提供的技术方案具有以下优点：本专利技术所提供的仿生声子晶体及其制作方法，由于珠结构的材料是根据珠结构的材料参数确定的，珠结构的材料参数是根据仿生声子晶体的工作频率要求预先确定的，材料参数包括剪切模量和/或密度，并且，第一中心纤维的剪切模量比珠结构的剪切模量大1至2个数量级，第一中心纤维的密度和珠结构的密度为同一数量级，因此，可以使得仿生声子晶体的带隙中心频率和带隙宽度在预设范围内，进而使得仿生声子晶体的工作频率在预设范围内。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种单胞结构的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种二维仿生声子晶体的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种仿生声子晶体的制作方法的流程图；图5为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的能带曲线；图6为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的带隙中心频率随拉梅参数的变化曲线；图7为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的带隙宽度随拉梅参数的变化曲线；图8为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的带隙中心频率随剪切模量的变化曲线；图9为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的带隙宽度随剪切模量的变化曲线；图10为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的带隙中心频率和宽度随密度的变化曲线；图11为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的带隙中心频率随剪切模量和密度的变化曲线；图12为本专利技术实施例提供的一种一维仿生声子晶体的带隙宽度随剪切模量和密度的变化曲线；图13为本专利技术实施例提供的能带结构和超胞结构的传输特性示意图；图14为本专利技术实施例提供的一种二维仿生声子晶体的通带频率下弹性波传播特性示意图；图15为图14的局部放大图；图16为本专利技术实施例提供的一种二维仿生声子晶体的水平方向带隙频率下弹性波传播特性示意图；图17为图16的局部放大图。具体实施方式正如
技术介绍
，如何通过结构与材料组分的设计来有效调节局域共振型声子晶体的带隙中心频率及其宽度，进而调整局域共振型声子晶体的工作频率范围，一直以来都是本领域技术人员广泛关注的问题。专利技术人研究发现，圆蛛网是一类由圆蛛编织的天然生物结构。圆蛛主要依靠对圆蛛网上所传播弹性波的调控和探测来实现对周围环境的高效和精确感知。这一功能的实现，反映了圆蛛网结构经过亿万年的进化和长期的自然选择，具备了良好的弹性波调控特性。圆蛛网主要由径向丝和环向丝(捕丝)构成。其中，环向丝可视为以中心纤维及其上的圆珠为单胞所构成的一维周期结构，其在形象学上具有声子晶体的典型特征。因此，仿照圆蛛网的结构以及相应结构组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生声子晶体，其特征在于，包括串珠结构，所述串珠结构包括多个单胞结构，所述单胞结构包括第一中心纤维以及包裹在所述第一中心纤维表面的珠结构，所述多个单胞结构的第一中心纤维沿其延伸方向顺序连接；/n所述珠结构的材料是根据所述珠结构的材料参数确定的，所述珠结构的材料参数是根据仿生声子晶体的工作频率要求预先确定的，所述材料参数包括剪切模量和/或密度；/n其中，所述第一中心纤维的剪切模量比所述珠结构的剪切模量大1至2个数量级，所述第一中心纤维的密度和所述珠结构的密度处于同一数量级。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生声子晶体，其特征在于，包括串珠结构，所述串珠结构包括多个单胞结构，所述单胞结构包括第一中心纤维以及包裹在所述第一中心纤维表面的珠结构，所述多个单胞结构的第一中心纤维沿其延伸方向顺序连接；
所述珠结构的材料是根据所述珠结构的材料参数确定的，所述珠结构的材料参数是根据仿生声子晶体的工作频率要求预先确定的，所述材料参数包括剪切模量和/或密度；
其中，所述第一中心纤维的剪切模量比所述珠结构的剪切模量大1至2个数量级，所述第一中心纤维的密度和所述珠结构的密度处于同一数量级。


2.根据权利要求1所述的仿生声子晶体，其特征在于，所述仿生声子晶体包括多个沿第一方向依次排列的串珠结构以及多个沿所述第二方向依次排列的第二中心纤维，所述第一方向和所述第二方向垂直；
所述第一中心纤维的延伸方向与所述第二方向相同，所述第二中心纤维的延伸方向与所述第一方向相同，所述第二中心纤维与所述第一中心纤维交叉固定。


3.根据权利要求2所述的仿生声子晶体，其特征在于，所述第二中心纤维为细长圆柱体。


4.根据权利要求3所述的仿生声子晶体，其特征在于，所述第二中心纤维的直径范围为1h～10h；其中h为所述第一中心纤维的直径。


5.根据权利要求2所述的仿生声子晶体，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：常正，马超，张建波，赵世恒，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11