声子晶体、声子晶体器件及其制备和测试方法技术

本发明专利技术提供一种声子晶体，声子晶体器件以及声子晶体的制备方法。所述声子晶体具有分形凹角蜂窝结构，所述分形凹角蜂窝结构由凹角六边形的单胞结构组成，并且所述六边形结构的边长为弹性波波长的十分之一到百分之一。本发明专利技术的分形凹角蜂窝结构不仅具有高强度、高刚度、强韧性的力学性能，还具有负泊松比的特性，使得该分形凹角蜂窝结构声子晶体可以实现较好的低频、宽频声波控制和声波超常传输。宽频声波控制和声波超常传输。宽频声波控制和声波超常传输。

【技术实现步骤摘要】
声子晶体、声子晶体器件及其制备和测试方法


[0001]本专利技术涉及声子晶体
，更具体地，涉及一种声子晶体，声子晶体器件及其制备和测试方法。

技术介绍

[0002]声子晶体是一种具有弹性波禁带的周期性结构功能材料，声子晶体的带隙特征对减振降噪具有重要意义。蜂窝结构作为一种典型的复合结构，由于比强度高、抗冲击性好、减振等优点，广泛应用于航空航天、车辆、舰船和建筑等工程减振降噪领域。蜂窝结构中凹角和旋转机构的存在导致负泊松比特性，在一些工程中的应用具有重要意义。
[0003]然而，凹角蜂窝结构的声学隔振性能较差，其带隙处于高频范围，无法在应用中实现结构在低频的振动以及噪声控制。并且，因为局域共振的本征属性，只能在共振频率处实现对声波的控制，这就导致产生的频带较窄，在宽频声波控制的应用中带来了困难。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术提供了一种声子晶体，所述声子晶体具有分形凹角蜂窝结构，不仅具有高强度、高刚度、强韧性的力学性能，还具有负泊松比的特性，可以实现较好的低频、宽频声波控制和声波超常传输。
[0005]具体地，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种声子晶体，用于减振降噪，所述声子晶体具有分形凹角蜂窝结构，所述分形凹角蜂窝结构由凹角六边形的单胞结构组成，并且所述六边形结构的边长为弹性波波长的十分之一到百分之一。
[0007]进一步地，所述分形凹角蜂窝结构是二阶分形凹角蜂窝结构或三阶分形凹角蜂窝结构，其中所述二阶分形凹角蜂窝结构是将分形凹角蜂窝结构的顶点替换为较小的凹角六边形而形成的结构，所述三阶分形凹角蜂窝结构是将所述二阶分形凹角蜂窝结构的顶点替换为较小的凹角六边形而形成的结构。
[0008]进一步地，在所述分形凹角蜂窝结构顶点处填充有介质，所述介质包括钢材。
[0009]进一步地，所述声子晶体的材质为ABS工程塑料。
[0010]进一步地，所述分形凹角蜂窝结构的壁厚范围为0.05～0.2cm，凹角角度范围为53
°
～68
°
。
[0011]进一步地，所述分形凹角蜂窝结构的高度比范围为1～4，其中所述高度比为凹角结构高度与顶点分形凹角结构高度的比值。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种声子晶体器件，所述声子晶体器件包括如第一方面所述的声子晶体。
[0013]第三方面，本专利技术提供了一种声子晶体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0014]确定分形凹角蜂窝结构的尺寸参数，利用三维软件构建分形凹角蜂窝结构；
[0015]将所构建的分形凹角蜂窝结构导入仿真软件，计算分形结构的色散曲线以及泊松
比数值；
[0016]将所述分形凹角蜂窝结构利用声学超材料进行3D打印；
[0017]搭建实验平台对所打印的分形凹角蜂窝结构进行测试，获得所述分形凹角蜂窝结构的声传输损耗；
[0018]将获得的声传输损耗与仿真数值进行对比，当二者数值误差在阈值范围内制备完成。
[0019]第四方面，本专利技术提供一种用于测试如第一方面所述的声子晶体的减振降噪特性的方法，该方法包括：通过信号发生装置产生所需的弹性波电信号；通过高压放大装置对所述信号发生装置的弹性波电信号进行放大；压电叠堆在高压放大装置放大后的弹性波电信号作用下产生弹性波并能作用于受振对象；通过数据分析软件系统对所述声子晶体的减振降噪特性进行分析。
[0020]本专利技术通过引入了分形凹角蜂窝结构，所述分形凹角蜂窝结构是六边形结构，并且所述六边形结构的边长为弹性波波长的十分之一到百分之一，该分形凹角蜂窝结构不仅具有高强度、高刚度、强韧性的力学性能，还具有负泊松比的特性，使得该分形凹角蜂窝结构声子晶体可以实现较好的低频、宽频声波控制和声波超常传输。针对声子晶体难以直接测试其减振降噪特性的特点，本专利技术还设计了一种声子晶体减振降噪特性测试方法，包括压电叠堆、信号发生装置、高压放大装置和测试系统组成，所述压电叠堆通过压电片之间连线焊接组成封装结构，信号发生装置可产生所需振动的电信号，由信号发生装置产生的电信号，通过高压放大装置将信号放大，放大后的电信号驱动压电叠堆产生高频振动作用于声子晶体，测试系统由振动传感器采集声子晶体的振动信号，然后通过数据分析软件分析对声子晶体的减振降噪特性进行分析。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1是根据本专利技术的实施例的分形凹角蜂窝结构以及相应的晶胞结构的示意图；
[0023]图2是根据本专利技术的实施例的分形凹角蜂窝结构声子晶体的制备方法的流程图；
[0024]图3是根据本专利技术的声子晶体测试系统的示意图；
[0025]图4是根据本专利技术的声子晶体测试方法的流程图。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]图1是根据本专利技术的实施例的分形凹角蜂窝结构以及相应的晶胞结构的示意图。
[0028]参照图1，该分形凹角蜂窝结构由凹角六边形的单胞结构组成。其中，图1(a)和图
(b)分别示出了一阶分形凹角蜂窝结构和一阶分形凹角蜂窝结构的单胞结构；图1(c)和图(d)分别示出了二阶分形凹角蜂窝结构和二阶分形凹角蜂窝结构的单胞结构；图1(e)和图(f)分别示出了三阶分形凹角蜂窝结构和三阶分形凹角蜂窝结构的单胞结构。
[0029]具体地，凹角蜂窝结构由单胞相互嵌合而成，对于一阶分形凹角蜂窝结构，其单胞结构的特征尺寸包括单胞高度L1、单胞宽度L2，凹角角度θ，单胞壁厚为b，边长e和f。其中，优选地，将边长e设置为弹性波波长的十分之一到百分之一。进一步地，参照图1(a)，将凹角六边形的6个顶点替换为较小的凹角六边形，其高宽比与图1(a)相同，则构成了二阶分形凹角蜂窝结构。类似地，将图1(c)的凹角六边形的顶点替换为更小的凹角六边形，可以得到三阶分形凹角蜂窝结构。通过保证不同的结构具有相同的质量，使得不同层次的凹角结构保持整体密度不变，便于进行性质的比较。其中凹角结构高度与顶点分形凹角结构高度的比值即为高度比。
[0030]在一个实施例中，可以在所述分形凹角蜂窝结构顶点处填充有介质，例如可以填充钢材。具体地，保证其他因素不变的情况下，在凹角蜂窝结构内部填充介质探究其对带隙的影响。在凹角结构分形顶点结构处嵌入钢材，钢材密度为7800kg/m3，弹性模量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声子晶体，用于减振降噪，其特征在于，所述声子晶体具有分形凹角蜂窝结构，所述分形凹角蜂窝结构由凹角六边形的单胞结构组成，并且所述六边形单胞结构的边长为弹性波波长的十分之一到百分之一。2.根据权利要求1所述的声子晶体，其特征在于，所述分形凹角蜂窝结构是二阶分形凹角蜂窝结构或三阶分形凹角蜂窝结构，其中所述二阶分形凹角蜂窝结构是将分形凹角蜂窝结构的顶点替换为较小的凹角六边形而形成的结构，所述三阶分形凹角蜂窝结构是将所述二阶分形凹角蜂窝结构的顶点替换为较小的凹角六边形而形成的结构。3.根据权利要求2所述的声子晶体，其特征在于，在所述分形凹角蜂窝结构顶点处填充有介质，所述介质包括钢材。4.根据权利要求1或3所述的声子晶体，其特征在于，所述声子晶体的材质为ABS工程塑料。5.根据权利要求4所述的声子晶体，其特征在于，所述分形凹角蜂窝结构的壁厚范围为0.05～0.2cm，凹角角度范围为53
°
～68
°
。6.根据权利要求5所述的声子晶体，所述分形凹角蜂窝结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈新华，张晨，郭振坤，陈猛，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：