一種低頻超寬帶隙瓣型局域共振聲學(xué)超材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低頻噪聲控制的聲學(xué)超材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種低頻超寬帶隙瓣型局域共振聲學(xué)超材料。
【背景技術(shù)】
[0002]近50年來，隨著國家高速列車、航空航天、大型輸變電工程等的快速發(fā)展，噪聲問題一方面影響著各領(lǐng)域自生的快速發(fā)展，另一方面還干擾者人們的正常工作和生活?，F(xiàn)有的噪聲控制材料一般都是傳統(tǒng)的混凝土墻、鋼板等被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)或是安裝操作復(fù)雜的主動(dòng)控制設(shè)備。這些噪聲控制技術(shù)能夠有效控制500Hz以上的中高頻噪聲，而對(duì)500Hz以下的低頻聲波只有微弱的衰減能力。低頻噪聲由于其波長大、傳播距離遠(yuǎn)、透射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其控制技術(shù)一直是噪聲控制的一個(gè)難點(diǎn)。
[0003]近年來研究者們研究了一種新型的低頻隔聲材料一聲學(xué)超材料，通過毫米級(jí)尺寸的結(jié)構(gòu)控制大波長的低頻聲波。2000年，劉正猷等人提出了基于局域共振機(jī)理的局域共振單元，其設(shè)計(jì)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)可以控制波長大于晶格尺寸兩個(gè)數(shù)量級(jí)的聲波。2012年沈平等人申請(qǐng)的專利(申請(qǐng)?zhí)枮?01210490610.5)提出了具有局域共振特性的二維二組元膜型暗聲學(xué)超材料，可以較大范圍的吸收低頻聲波。同年，美國M.Badreddine等人提出了雙側(cè)附有硅膠柱的板型聲學(xué)超材料，拓寬了聲學(xué)超材料的帶隙范圍。2013年吳健等人申請(qǐng)的專利(申請(qǐng)?zhí)枮?01310513807.0)研究了具有不同質(zhì)量配重的復(fù)合元胞結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超材料，通過調(diào)節(jié)配重位置和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)較寬帶隙范圍。同年，美國Osama R等研究了帶孔跳板型聲學(xué)超材料，有效拓寬了相對(duì)帶隙范圍，最高達(dá)到60%。2014年吳九匯和馬富銀等人申請(qǐng)的專利(申請(qǐng)?zhí)枮?01410235514.5)利用輕質(zhì)EVA和硅膠兩種材料制備了輕質(zhì)二組元聲學(xué)超材料，在200Hz范圍有寬度為73Hz的低頻帶隙。
[0004]上述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)都可以產(chǎn)生禁帶，但是這些聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)由一層結(jié)構(gòu)一種元胞組成的隔聲裝置帶隙并不是很寬，相對(duì)帶隙(Af/fc)也不理想，對(duì)帶隙的拓寬也是通過多層結(jié)構(gòu)堆疊或是改變?cè)M成元素從而形成復(fù)合元胞達(dá)到的。另一方面，有些結(jié)構(gòu)中用到的彈性薄膜是需要提前施加張力使其產(chǎn)生應(yīng)力才可以產(chǎn)生預(yù)期效果的，這種張力施加一般較難控制和調(diào)節(jié)，這樣就加大了結(jié)構(gòu)布置的難度，材料的聲學(xué)穩(wěn)定性也受到影響，從而降低了聲學(xué)超材料作為一種新型高效控制低頻噪聲的新材料優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種低頻超寬帶隙瓣型局域共振聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)，通過由一種元胞組成的單層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超寬帶隙和大的相對(duì)帶隙的目標(biāo)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種低頻超寬帶隙瓣型局域共振聲學(xué)超材料，包括田字支架、彈性薄膜、半球和若干對(duì)瓣形結(jié)構(gòu)；
[0007]所述田字支架由正方形框架延X方向和y方向周期性延拓而成；
[0008]所述彈性薄膜粘接在所述正方形框架上方；
[0009]所述半球分別對(duì)應(yīng)所述正方形框架呈周期性的黏貼在所述彈性薄膜上方；
[0010]所述瓣形結(jié)構(gòu)幾何尺寸相同，圍繞所述半球四周對(duì)稱分布并固定于所述彈性薄膜上;
[0011]所述正方形框架以及與其對(duì)應(yīng)的在其上方的所述彈性薄膜、所述半球和所述瓣形結(jié)構(gòu)構(gòu)成元胞，所述元胞為所述局域共振聲學(xué)超材料的最小單元。
[0012]上述方案中，每個(gè)元胞的所述瓣形結(jié)構(gòu)的數(shù)量為兩對(duì)，兩對(duì)所述瓣形結(jié)構(gòu)互成直角對(duì)稱分布在所述半球四周。
[0013]上述方案中，所述正方形框架由硬質(zhì)塑料或硬質(zhì)輕型復(fù)合材料制成。
[0014]進(jìn)一步的，所述正方形框架的邊長即晶格常數(shù)a為9-14mm、高度h為0.8-1.0mm、厚度 t 為 0.75-0.90mm。
[0015]上述方案中，所述彈性薄膜和所述瓣形結(jié)構(gòu)均是由硅橡膠制成。
[0016]進(jìn)一步的，所述彈性薄膜的厚度b為0.4-0.7_。
[0017]上述方案中，所述瓣形結(jié)構(gòu)的厚度e為0.25-0.35mm。
[0018]上述方案中，所述半球由鎢制成。
[0019]進(jìn)一步的，所述半球的半徑為R為2.6-3.4mm。
[0020]上述方案中，所述元胞幾何尺寸為:a = 9mm，R = 3.4mm, b = 0.6mm，h = 1mm，t =0.75mm, e = 0.25mm0
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0022]1、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)通過所述瓣形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及在所述元胞中各結(jié)構(gòu)幾何尺寸相互匹配:b = 0.6mm，a = 9mm，R = 3.4mm，h = 1mm，t = 0.75mm，e = 0.25mm下，達(dá)到最佳效果，在400Hz的低頻范圍內(nèi)有寬度為254Hz的完全帶隙，在100Hz以下還有寬度為15Hz左右的彎曲波帶隙，增大了噪聲控制的應(yīng)用范圍；
[0023]2、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料在低頻范圍內(nèi)相對(duì)帶隙高達(dá)84%，較大的提高了帶隙范圍占作用頻率總范圍的比例；
[0024]3、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料單層結(jié)構(gòu)同種元胞就可以有較寬的帶隙，無需多種元胞組合或堆疊，不需要改變配重塊的幾何尺寸或材料屬性，降低了結(jié)構(gòu)布置難度，提升了結(jié)構(gòu)的聲學(xué)穩(wěn)定性；
[0025]4、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)尺寸均處于毫米級(jí)，所述彈性薄膜厚度不超過
0.7mm，所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)總厚度不超過5mm，滿足薄層結(jié)構(gòu)要求；
[0026]5、本發(fā)明所述彈性薄膜不需要提前施加張力來使其產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)布置難度，提升了結(jié)構(gòu)的聲學(xué)穩(wěn)定性；
[0027]6、本發(fā)明所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)可以形成多個(gè)較寬的完全帶隙，在帶隙范圍內(nèi)可以阻隔波長比其結(jié)構(gòu)尺寸大兩個(gè)數(shù)量級(jí)的低頻聲波。
【附圖說明】
[0028]圖1(a)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的元胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖1(b)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的半球結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖1(c)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的瓣形結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖1(d)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的彈性薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖1 (e)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的正方形框架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖1(f)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的無瓣元胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖1(g)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的元胞陣列正面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖1(h)為本發(fā)明一實(shí)施例的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的元胞陣列反面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2(a)為本發(fā)明一實(shí)施例的元胞能帶圖；
[0037]圖2(b)為本發(fā)明一實(shí)施例的無瓣元胞能帶圖；
[0038]圖3 (a)為本發(fā)明一實(shí)施例的固有頻率62Hz對(duì)應(yīng)的模態(tài)；
[0039]圖3 (b)為本發(fā)明一實(shí)施例的固有頻率76Hz對(duì)應(yīng)的模態(tài)；
[0040]圖3 (c)為本發(fā)明一實(shí)施例的固有頻率146Hz對(duì)應(yīng)模態(tài)；
[0041]圖3 (d)為本發(fā)明一實(shí)施例的固有頻率332Hz對(duì)應(yīng)的模態(tài)；
[0042]圖4(a)為本發(fā)明一實(shí)施例的帶隙特性隨彈性薄膜厚度變化的趨勢示意圖；
[0043]圖4(b)為本發(fā)明一實(shí)施例的帶隙特性隨半球半徑變化的趨勢示意圖；
[0044]圖4(c)為本發(fā)明一實(shí)施例的帶隙特性隨晶格常數(shù)變化的趨勢示意圖。
[0045]圖中，1、半球；2、瓣形結(jié)構(gòu)；3、彈性薄膜；4、正方形框架；5、田字支架；6、第一帶隙；7、第二完全帶隙；8、第三完全帶隙；9、無瓣結(jié)構(gòu)帶隙。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0047]圖1所示為本發(fā)明所述低頻超寬帶隙瓣型局域共振聲學(xué)超材料的一種實(shí)施方式，本發(fā)明借鑒了向內(nèi)彎曲的花瓣受到外力時(shí)產(chǎn)生較大的彈性曲率能量從而減小花朵振動(dòng)進(jìn)而保護(hù)花蕊的機(jī)理。圖1(a)是所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的元胞結(jié)構(gòu)示意圖，所述元胞包括半球
1、若干對(duì)瓣形結(jié)構(gòu)2、彈性薄膜3和正方形框架4，分別如圖1 (b)、圖1 (c)、圖1 (d)、圖1 (e)所示。所述彈性薄膜3粘接在所述正方形框架4上方；所述半球1黏貼在所述彈性薄膜3上方；每個(gè)所述元胞的瓣形結(jié)構(gòu)2的數(shù)量優(yōu)選地為兩對(duì)，兩對(duì)所述瓣形結(jié)構(gòu)2的幾何尺寸相同，互成直角對(duì)稱分布在所述半球1四周，并固定于所述彈性薄膜3上，具體的所述瓣形結(jié)構(gòu)2下部成楔子狀與所述半球1的面和所述彈性薄膜3的面緊密貼合后再粘貼固定；所述元胞為隔聲裝置中阻隔低頻噪聲的最小聲學(xué)超材料單元。
[0048]圖1 (g)是所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的元胞陣列正面結(jié)構(gòu)示意圖，圖1 (h)所述聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的元胞陣列背面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中田字支架5由所述正方形框架4延X方向和y方向周期性延拓而成，起著固定支撐的作用，提供局域化剛度，使得其上的質(zhì)量塊有振動(dòng)的空間；中間的所述彈性薄膜3相當(dāng)于“彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)中的彈簧，提供局域化振動(dòng)的彈性；所述半球1和所述瓣形結(jié)構(gòu)2相當(dāng)于質(zhì)量塊，提供局域化振動(dòng)的質(zhì)量。所述半球1采用鎢制成；所述瓣形結(jié)構(gòu)2和所述彈性薄膜3采用硅橡膠制成；所述正方形框架4采用硬質(zhì)塑料或硬質(zhì)輕型復(fù)合材料制成。材料參數(shù)為:娃膠密度Pi= 1300kg/m3，彈性模量Ε:=0.1175MPa，泊松比ν 1= 0.469 ;硬質(zhì)塑料密度P 2= 1190kg/m3，彈性模量E2= 2.2GPa，泊松比 v 2= 0.375 ;鎢密度 P 3= 17800kg/m3，彈性模量 E3= 360GPa，泊松比 ν 3= 0.27。所述半球1的半徑為R，所述彈性薄膜3的厚度為b，所述正方形框架4的邊長即晶格常數(shù)為a，高度為h，厚度為t，所述瓣形結(jié)構(gòu)厚度為e。
[0049]圖2所示為本發(fā)明利用有限元軟件C0MS0L MULTIPHYSICS 4.3對(duì)所述元胞的整個(gè)不可約布里淵(Brillouin)區(qū)邊界Γ-X-M-Γ進(jìn)行掃描得到所述元胞的能帶圖，所述元胞四周的邊界均設(shè)置為Bloch周期性邊界條件，其他邊界為自由邊界。圖2 (a)對(duì)應(yīng)本發(fā)明所述元胞的能帶結(jié)構(gòu)，所述元胞的尺寸:a = 10mm, b = 0.6mm, R = 3.4mm, h = 1mm, t =0.75mm，e = 0.25mm ;圖 2 (b)對(duì)應(yīng)相同尺寸:a = 10mm，b = 0.6mm，R = 3.4mm，h = 1mm，t=0.75mm下無瓣形結(jié)構(gòu)元胞能帶圖。
[0050]從圖2(a)中可以看到有三條完全帶隙:包