声子晶体、声子晶体器件及其制备和测试方法

1.本发明涉及声子晶体技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明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。
5.具体地，本发明是通过以下技术方案来实现的：
6.第一方面，本发明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。
7.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。
8.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。
9.进一步地，所述声子晶体的材质为abs工程塑料。
10.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
°
。
11.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。
12.第二方面，本发明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。
13.第三方面，本发明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：
14.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；
15.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；
16.将所述分形凹角蜂窝结构利用声学超材料进行3d打印；
17.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；
18.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。
19.第四方面，本发明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。
20.本发明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，本发明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
21.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
22.图1是根据本发明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；
23.图2是根据本发明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；
24.图3是根据本发明的声子晶体测试系统的示意图；
25.图4是根据本发明的声子晶体测试方法的流程图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
27.图1是根据本发明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。
28.参照图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。
29.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。
30.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，弹性模量为210mpa泊松比0.3。因为钢材料的横波速度大，相同的结构产生的带隙范围更大，有利于带隙的研究。可以发现，在分形顶点填充钢材，二阶结构在填充钢材后在2000-5000hz内产生了较宽的方向带隙，带隙在6000-9000hz内没有太多变化；三阶结构带隙有较为明显的变宽，主要集中在高频6000-10000hz，带隙的上边界向高频偏移，下边界向低频偏移。2阶和3阶结构在填充钢材后的带隙范围分别达到了70.5％和68.7％。与此同时，在添加钢材后，带隙的条数变多。二阶结构在频率为137hz时不处在带隙范围内，二阶蜂窝结构发生整体结构变形；在6000-9000hz时，结构处于带隙区间时，二阶结构发生左右上下梁的变形，在向四周衰减，并没有使其他结构产生振动，从而突出带隙特性。
31.在一个实施例中，所述声子晶体的材质可以选用abs工程塑料，该abs工程塑料的密度1100kg/m3，弹性模量为2.2mpa，泊松比3.4。
32.在一个实施例中，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
°
。具体地，选取2阶以及3阶的凹角蜂窝结构进行研究，考虑到实际应用的要求，壁厚也不应过小。在其他条件保持不变的情况下设置壁厚b分别为0.05，0.1，0.15和0.2cm。通过comsol软件仿真得可以发现，结构壁厚对完全带隙的影响较为明显。随着厚度的增加，产生的带隙数量基本不变，均匀分布在整个频域里。随着壁厚的增大，带隙出现的范围逐渐向高频区域转移，带隙的起始频率和终止频率都出现一定程度的上升。不同壁厚的凹角结构都产生了6条带隙，壁厚为0.05cm时，第一条带隙产生于905-1036hz，全部带隙所占比例大约为整个频率范围的46.2％。也可以发现不同厚度的薄壁在6500-8000hz的范围内都产生了较宽的带隙。在壁厚为0.1cm时，二阶和三阶结构产生的第六带隙相对降低。因此，改变壁厚，对于带隙整体的分布影响明显，中心频率有偏向高频范围的趋势，这是由于结构弯曲刚度增大促使带隙宽度逐渐变宽。
33.另外，在不改变结构其他因素的情况下，改变凹角蜂窝结构的凹角角度，二三阶凹角结构凹角角度也会对结构带隙的影响。在考虑到结构的壁厚以及形状的影响，选取了θ＝53
°
，58
°
，63
°
和68
°
凹角的结构进行仿真分析。研究表明：在10000hz的范围内，随着凹角夹角的增大，二阶凹角结构与三阶凹角结构产生带隙的频率增加，带隙的上边界值和下边界
值都有所增加。在二阶蜂窝结构中，凹角夹角为53
°
时，第一带隙为752-792hz。前三带隙都在2000hz之内但宽度较小，第四、五、六带隙随着角度的增加宽度逐渐减小，整体上结构在4000-8000hz的范围内覆盖率较高，最低达到了75％。在三阶蜂窝结构中，产生的带隙条数明显增多，在夹角为53
°
的结构产生了12条带隙，但随着凹角夹角的增加带隙条数逐渐减少；凹角夹角为53
°
时，第一带隙为750-822hz。前二带隙在2000hz之内，之后的带隙随着角度的增加频率依旧增加。当需要低频带隙时，可以增大结构凹角角度来获取低频带隙。通过这一结果，可以针对不同的减振需求选择不同角度的声子晶体。在带隙覆盖方面，没有随着角度的改变发生较大的变化，凹角角度对蜂窝声子晶体禁带范围影响并不明显。
34.在本发明的实施例中，分形凹角蜂窝结构的高度比范围为1～4，在结构高度比为4的时候可以得到最小的泊松比，其中高度比为凹角结构高度与顶点分形凹角结构高度的比值。通常，默认一阶结构时高度比为1。一阶凹角蜂窝结构的泊松比为-1.131，二阶和三阶结构随着高度比在从3到4的变大过程中，泊松比明显下降，二阶结构最小泊松比为-1.602，三阶结构最小为-1.846，分别比一阶凹角结构的泊松比降低了41.64％和63.22％。分形结构的泊松比数值在高度比等于4之后又有所增加，但增长幅度不大，基本保持在-1.5上下。由此可知，当结构高度比为4的时候可以得到最小的泊松比，泊松比且为负值，凹角蜂窝的分形结构也具有负泊松比的特性。
35.另外，本发明的凹角蜂窝结构不仅具有以上特性，还可以多尺度地拓展频率，实现宽频带隙。
36.本发明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。
37.图2是根据本发明的分形凹角蜂窝结构声子晶体的制备方法的流程图。参照图2，该制备方法包括：步骤201：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；步骤202：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；步骤203：将所述分形凹角蜂窝结构利用声学超材料进行3d打印；步骤204：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；步骤205：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时制备完成。
38.具体地，确定分形凹角蜂窝结构的尺寸参数，利用三维软件(例如，solidworks软件)构建分形凹角蜂窝结构，例如可以将分形凹角蜂窝结构的尺寸参数确定为：l1＝12cm，l2＝8cm，l1/l2＝1.5，凹角角度θ＝63
°
，单胞壁厚为b＝0.1cm。将凹角六边形(图1(a))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(高和宽均为上一阶的四分之一)，构成了二阶层次晶格单元凹角单胞(图1(d))。将所构建的分形凹角蜂窝结构导入仿真软件(例如，comsol multiphysics仿真软件)，计算分形结构的色散曲线以及泊松比数值；将所述分形凹角蜂窝结构利用声学超材料进行3d打印；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；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时，则制备完成。
39.除此之外，考虑到声子晶体难以直接测试其减振降噪特性的特点，特别是传统锤击法或机械激振方法，难以得到理想的弹性波信号，且容易在激振时使声子晶体发生变形
导致测量误差，本发明还提供一种声子晶体测试系统，如图3所示，该系统包括：信号发生装置，可以产生所需的弹性波电信号；高压放大装置，可以对信号发生装置的弹性波电信号进行放大；压电叠堆，可以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；声子晶体；传感器和采集仪，用于采集的输出信号；计算机；；数据分析软件系统，可以对声子晶体的减振降噪特性进行分析。
40.图4所示为测试声子晶体的减振降噪特性的方法的流程图。首先是准备好测试系统，然后安装好待测试的声子晶体样品并将传感器固定在样品上，接着设置好采集参数，通过信号发生装置产生所需的弹性波电信号，然后通过高压放大装置对信号发生装置的弹性波电信号进行放大，压电叠堆可以在高压放大器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的待测试的声子晶体样品上；通过传感器采集待测样品的输出信号，最后通过采集仪采集传感器的所采集的输出信号并传输到计算机上，最后通过计算机上所安装的数据分析软件系统对声子晶体的减振降噪特性进行分析。
41.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。