一种复合五模超材料及低频宽带声波调控方法

1.本发明属于声学技术领域，具体涉及一种复合五模超材料及低频宽带声波调控方法。


背景技术：

2.声波是通过物体的振动产生的，往往是杂乱无章的，有时候甚至对人们是有害的，现如今，为提高国防安全和改善人们的生活环境，需要设计各种各样的人工材料和技术手段用来实现对声波的调控，包括在减震降噪、声隐身、声隔离、声定向传输等方面。声学超材料就是一种以弹性波或声波为调控对象的人工材料或结构，由于其表现出一些不同寻常的性质和现象而备受关注。
3.声学超材料是通过人为设计形成声学微结构，使其具有负折射、负弹性模量等天然材料所不具备的超常物理特性。这些新的声学性质为人们对声波调控领域的研究提供了新的思想，也提供了许多新的控制声波传播的手段，在声学成像、传感、检测、声学隐身以及隔振降噪等领域有潜在的应用。五模超材料作为一种新型的声学超材料，其概念是在1995年被milton和cherkaev提出的，满足弹性刚度矩阵6个特征值中有5个严格为零，解除了固体压缩形变和剪切形变之间的耦合，即避免了压缩波和剪切波之间的耦合，在宏观上表现为很难被压缩但很容易发生形变，而且具有固态形态，是一种兼具固体形态和流体属性的声学超材料，其可调的模量各向异性和固体特征使其在声隐身、声聚焦、减震降噪、粒子操纵、新型声学器件、声通信等领域具有潜在应用前景，受到了研究人员的广泛关注。
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ckmann基于五模超材料设计了一种力学无感知的隐身斗篷，fabbrocino等人制作了可以用于地震防护五模式超材料夹板，这为五模材料在减震降噪提供了新的思想。martin等人对五模超材料基本结构施加floquet周期性边界条件，计算了三维五模超材料的声子能带结构，发现在能带结构中存在一个剪切波被抑制，压缩波被传输的单模区域，在这一区域内五模超材料呈现出流体的性质。用此结构设计实现的声学隐身衣，落在单模频率范围内的声波传播到流体与隐身衣界面时，声波将低散射传输，实现隐身功能。wang等人通过在五模超材料中引入非对称双锥单元来打破结构的对称性，获得了非对称双锥五模超材料。研究发现该结构在具有五模材料流体的性质的同时还兼具了声子晶体三维声子带隙的特性。之后，通过改变双锥单元的非对称性还可以进一步获得较宽的声子带隙。由于其研究的五模超材料大多是基于布拉格散射原理实现的，对于结构周期单元尺寸为cm量级的超结构其工作频率通常在khz及以上。低频声波对应的声波波长较大，如果用此类五模超材料进行100hz低频声波控制，其器件尺寸至少需要几米，如此厚重的尺寸和重量都意味着其难以实现工程应用；随着对低频(比如几百甚至几十赫兹)声波的调控需求，wang等人基于局域共振原理，首次提出并研究了一种由复合材料组成的五模超材料，其第一全方向声子带隙的中心频率比晶格常数小了两个数量级，能够很好的实现对低频声波的调控。
5.然而，目前局域共振型特性的五模超材料在实现对低频声波调控时仍然出现调控频带范围较窄的问题，因此如何实现对低频特别是300hz以下的声波实现宽频调控，是本领
域亟待解决的技术问题，这对服役于水下环境的装备结构声隐身、声隔离具有十分重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种复合五模超材料，以实现对低频特别是300hz以下的声波实现宽频调控。
7.本发明的另一个目的是提供一种低频宽带声波调控方法。
8.为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为：
9.一种复合五模超材料，所述超材料的构形为一个以上相同大小结构的面心立方晶格构成的微结构，面心立方晶格由16个双锥单元的窄直径端相连接构成，
10.构成所述双锥单元的每个单锥由两段不同的材料构成，每个单锥的窄直径端由软质材料构成，宽直径端由硬质材料构成；
11.构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径端的高度不同。
12.进一步地，构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径不同。
13.进一步地，所述面心立方晶格的晶格常数为a，双锥单元的高度为
14.进一步地，构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径分别为d1和d2，d1和d2的的比为m，m的范围是0.2≤m＜1。
15.进一步地，所述成所述双锥单元的两个单锥的窄直径端的高度分别为h1和h2，窄直径端与双锥单元的高度比值分别为r＝h1/h和s＝h2/h，两个单锥窄直径端的高度比值差为ξ＝r-s，|ξ|的范围为0.02～0.1。
16.进一步地，所述软质材料为丁腈橡胶或硅橡胶。丁腈橡胶的质量密度ρ1＝1300kg/m3，杨氏模量e1＝120kpa，泊松比ν1＝0.46875。
17.进一步地，所述硬质材料为环氧树脂、不锈钢-304、铝合金-6061、钛合金或铅中的一种。环氧树脂的质量密度ρ2＝1200kg/m3，杨氏模量e2＝2.86gpa，泊松比ν2＝0.4。
18.上述复合五模超材料调控低频宽带声波的方法，调节构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径端的高度与双锥单元高度比值的差值的绝对值大小，以调节声子带隙的宽度。
19.上述复合五模超材料调控低频宽带声波的方法，调节构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径比值，以调节声子带隙的宽度。
20.本发明的有益效果：
21.本发明的复合五模超材料，在双锥单元中引入复合材料，能够实现五模超材料具有局域共振特性，为超材料实现对低频声波的调控提供必要的条件。通过调节双锥单元中的两个单锥中软质材料高度的非对称度和双锥窄直径的非对称度，以增加结构整体的非对称度，实现宽带低频声波调控。通过对结构整体非对称度的设计，能在不改变几何构型和尺寸的情况下，对超材料的声子带隙进行调控，调节较为方便。实现对低频特别是300hz以下的声波调控带宽较窄的问题，为实现水下声波的低频宽带调控提供新的途径。
附图说明
22.图1为复合五模超材料晶胞结构图；
23.图2为实施例1中复合五模超材料的能带结构图；
24.图3为实施例2中复合五模超材料的能带结构图；
25.图4为实施例3中复合五模超材料的能带结构图；
26.图5为实施例4中复合五模超材料的能带结构图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例以及附图对本发明作进一步说明。
28.实施例1
29.本实施例的复合五模超材料，超材料的构形为一个以上相同大小结构的面心立方晶格构成的微结构，面心立方晶格结构如图1所示，面心立方晶格由16个双锥单元的窄直径端相连接构成。每个单锥由两种不同的材料构成，单锥的窄直径端为软质材料，其余部分为硬质材料。软质材料部分采用的丁腈橡胶，丁腈橡胶的质量密度ρ1＝1300kg/m3，杨氏模量e1＝120kpa，泊松比ν1＝0.46875。硬质材料为环氧树脂，环氧树脂的质量密度ρ2＝1200kg/m3，杨氏模量e2＝2.86gpa，泊松比ν2＝0.4。
30.双锥单元通过窄直径端相连接，这些连接点构成了一个晶格常数为a的面心立方晶格，a＝37.3mm。构成双锥单元的两个单锥有不同的窄直径d1和d2，d1＝0.22mm，d2＝0.55mm。每对双锥单元由宽直径端相连接，宽直径端的直径为d＝3mm。双锥的高度为mm，构成双锥单元的两个单锥高度分别为h1和h2。为了便于研究定义：构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度比分别为r＝h1/h和s＝h2/h，r＝0.04，s＝0.06；构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度差为ξ＝r-s；双锥窄直径比为m＝d1/d2，m＝0.4，|ξ|＝0.02。在m＝0.4，|ξ|＝0.02条件下，复合五模超材料的能带结构图如图2所示。
31.实施例2
32.本实施例的复合五模超材料，超材料的构形为一个以上相同大小结构的面心立方晶格构成的微结构，面心立方晶格结构如图1所示，面心立方晶格由16个双锥单元的窄直径端相连接构成。每个单锥由两种不同的材料构成，单锥的窄直径端为软质材料，其余部分为硬质材料。软质材料部分采用的丁腈橡胶，丁腈橡胶的质量密度ρ1＝1300kg/m3，杨氏模量e1＝120kpa，泊松比ν1＝0.46875。硬质材料为环氧树脂，环氧树脂的质量密度ρ2＝1200kg/m3，杨氏模量e2＝2.86gpa，泊松比ν2＝0.4。
33.双锥单元通过窄直径端相连接，这些连接点构成了一个晶格常数为a的面心立方晶格，a＝37.3mm。构成双锥单元的两个单锥有不同的窄直径d1和d2，d1＝0.55mm，d2＝0.55mm。每对双锥单元由宽直径端相连接，宽直径端的直径为d＝3mm。双锥的高度为mm，构成双锥单元的两个单锥高度分别为h1和h2。为了便于研究定义：构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度比分别为r＝h1/h和s＝h2/h，r＝0.04，s＝0.06；构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度差为ξ＝r-s；双锥窄直径比为m＝d1/d2，m＝1，|ξ|＝0.02。在m＝1，|ξ|＝0.02条件下，复合五模超材料的能带结构图如图3所示。
34.实施例3
35.本实施例的复合五模超材料，超材料的构形为一个以上相同大小结构的面心立方晶格构成的微结构，面心立方晶格结构如图1所示，面心立方晶格由16个双锥单元的窄直径端相连接构成。每个单锥由两种不同的材料构成，单锥的窄直径端为软质材料，其余部分为
硬质材料。软质材料部分采用的丁腈橡胶，丁腈橡胶的质量密度ρ1＝1300kg/m3，杨氏模量e1＝120kpa，泊松比ν1＝0.46875。硬质材料为环氧树脂，环氧树脂的质量密度ρ2＝1200kg/m3，杨氏模量e2＝2.86gpa，泊松比ν2＝0.4。
36.双锥单元通过窄直径端相连接，这些连接点构成了一个晶格常数为a的面心立方晶格，a＝37.3mm。构成双锥单元的两个单锥有不同的窄直径d1和d2，d1＝0.55mm，d2＝0.55mm。每对双锥单元由宽直径端相连接，宽直径端的直径为d＝3mm。双锥的高度为mm，构成双锥单元的两个单锥高度分别为h1和h2。为了便于研究定义：构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度比分别为r＝h1/h和s＝h2/h，r＝0.03，s＝0.07；构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度差为ξ＝r-s；双锥窄直径比为m＝d1/d2，m＝1，|ξ|＝0.04。在m＝1，|ξ|＝0.04条件下，复合五模超材料的能带结构图如图4所示。
37.实施例4
38.本实施例的复合五模超材料，超材料的构形为一个以上相同大小结构的面心立方晶格构成的微结构，面心立方晶格结构如图1所示，面心立方晶格由16个双锥单元的窄直径端相连接构成。每个单锥由两种不同的材料构成，单锥的窄直径端为软质材料，其余部分为硬质材料。软质材料部分采用的丁腈橡胶，丁腈橡胶的质量密度ρ1＝1300kg/m3，杨氏模量e1＝120kpa，泊松比ν1＝0.46875。硬质材料为环氧树脂，环氧树脂的质量密度ρ2＝1200kg/m3，杨氏模量e2＝2.86gpa，泊松比ν2＝0.4。
39.双锥单元通过窄直径端相连接，这些连接点构成了一个晶格常数为a的面心立方晶格，a＝37.3mm。构成双锥单元的两个单锥有不同的窄直径d1和d2，d1＝0.11mm，d2＝0.55mm。每对双锥单元由宽直径端相连接，宽直径端的直径为d＝3mm。双锥的高度为mm，构成双锥单元的两个单锥高度分别为h1和h2。为了便于研究定义：构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度比分别为r＝h1/h和s＝h2/h，r＝0.03，s＝0.13；构成双锥单元的两个单锥的软质材料高度差为ξ＝r-s；双锥窄直径比为m＝d1/d2，m＝0.2，|ξ|＝0.1。在m＝0.2，|ξ|＝0.1条件下，复合五模超材料的能带结构图如图5所示。
40.实施例5
41.本实施例的低频宽带声波调控方法，固定构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径比值不变。调节构成双锥单元的两个单锥的窄直径端的高度与双锥单元高度比值的差值的绝对值大小，以调节声子带隙的宽度。固定m＝1，当|ξ|＝0.04时，与|ξ|＝0.02相比，其声子带隙展宽了3.17倍。
42.实施例6
43.本实施例的低频宽带声波调控方法，固定构成双锥单元的两个单锥的窄直径端的高度与双锥单元高度比值的差值的绝对值大小不变。调节构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径比值，以调节声子带隙的宽度。即，固定|ξ|＝0.02，当m＝0.4时，与m＝1相比，其声子带隙展宽了3.99倍。
44.实施例7
45.本实施例的低频宽带声波调控方法，调节构成双锥单元的两个单锥的窄直径端的高度与双锥单元高度比值的差值的绝对值大小，同时调节构成所述双锥单元的两个单锥的窄直径比值，以调节声子带隙的宽度，以调节声子带隙的宽度。在m＝0.2，|ξ|＝0.1条件下，
可以获得频率下界为43.91hz而频率上界为299.26hz的宽禁带低频声子带隙。