專利名稱：二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料屬于聲學領域，涉及了凝聚態(tài)物理、力學、機
械和材料學等領域。
背景技術：
所周知，噪音污染對人的身體健康有著重要的影B向，它主要來自工廠、航空、鐵路 運輸、高速公路、城市交通的室外噪音和來自風扇、計算機、空調(diào)等的室內(nèi)噪音。傳統(tǒng)抑制噪 音采用致密、不透氣的聲屏障使聲波衍射繞過，這樣能夠避免對人們的干擾，但是空氣中的 風速和大氣湍流也影響聲屏障的性能。 近年來，許多學者對人工周期性結構聲帶隙材料(Acoustic band-gapmaterials) 的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，這種材料也叫聲子晶體(phononiccrystals)，它在減振、降噪和 聲波器件等領域具有重要的應用價值。聲子晶體在一定頻率范圍內(nèi)能夠抑制聲波的傳播， 從而形成聲帶隙。利用聲子晶體的帶隙性質(zhì)，設計由不銹鋼管周期排列在空氣中組成的復 合結構作為聲屏障。這種新型的隔聲材料具有透光、透氣、輕質(zhì)化等特征，也可以考慮它的 美學價值。 目前，國內(nèi)外大多數(shù)文獻報道二維聲帶隙材料的隔音的研究主要集中在正方晶 格、三角晶格和蜂窩晶格，但是它們獲得頻率范圍很窄。 周期結構聲帶隙材料由散射體和基體復合組成，它們的能帶結構主要由以下幾方 面性質(zhì)決定通過增加散射體和基體的質(zhì)量密度比、波速比、剪切模量比、泊松比、彈性模量 比和填充率，來增加帶隙的寬度；通過改變散射體截面的形狀來增加帶隙的帶寬，散射體截 面形狀主要有圓形、三角形、六邊形和八邊形等；晶格的拓撲結構也對帶隙產(chǎn)生影響，蜂窩 晶格對稱性的減弱，使其帶能結構出現(xiàn)低頻帶隙，而三角晶格存在高頻帶隙。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料，它分別是由相互平行的管(實心、
空心金屬或非金屬材料)在空氣中按正方晶格、三角晶格和蜂窩晶格排列串聯(lián)組成。這種
串聯(lián)復合結構在人可聽頻率范圍具有更寬的帶隙，能夠很好抑制環(huán)境噪音。 為了實現(xiàn)上述目的，在布拉格散射原理基礎上，聲波在周期結構傳播形成Bloch
波，Bloch波的最大特征是存在能力和頻率的一定頻率范圍，波在其中不能傳播。本發(fā)明
提出二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料利用蜂窩晶格第一布里淵區(qū)r-M方向(與水平夾角為
0° )，三角晶格第一布里淵區(qū)r-M方向(與水平夾角為30。)，正方晶格第一布里淵區(qū)
r-x(與水平夾角為o。)方向組成串聯(lián)結構。管的截面形狀可采用圓形、三角形、方形、六
邊形和八邊形等金屬或非金屬材料。 本發(fā)明提出的二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料與正方晶格、三角晶格和蜂窩晶格排
列順序無關，它分別由相互平行的管在空氣中按正方晶格、三角晶格和蜂窩晶格排列串聯(lián)
組成；且其中蜂窩晶格第一布里淵區(qū)r-M方向，三角晶格第一布里淵區(qū)r-M方向和正方晶格第一布里淵區(qū)r-x方向平行于同一直線。聲波在這種串聯(lián)結構中沿著r-x和r-M方 向傳播。 所述管的截面形狀采用圓形、三角形、方形、六邊形或八邊形；所述管為金屬或非 金屬材料。 本發(fā)明提出的二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料中的蜂窩晶格和三角晶格r-M方向 至少為4層、正方晶格r-x方向至少為3層。每種晶格隨著層數(shù)的增加，其隔音效果會越 來越好，但是工程上對隔音材料的厚度有一定的限制。所以這種串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料 在層數(shù)很少的情況下，能夠在人可以聽頻率范圍能夠很好的抑制低頻和高頻噪聲。
圖1 二維圓管/空氣聲帶隙材料示意圖；
圖2三種晶格聲帶隙材料能帶結構；
圖3三種晶格層的示意圖；
圖4串聯(lián)結構聲帶隙材料示意圖；
圖5串聯(lián)結構聲帶隙材料頻率分布圖。
具體實施例方式
參見圖l，二維圓管/空氣聲帶隙材料示意圖，圖(a)為正方晶格，第一布里淵區(qū)的
r-x禾P r-M方向夾角為45。；圖(b)為三角晶格，第一布里淵區(qū)的r-M禾P r-K方向夾角
為30° ;圖(c)為蜂窩晶格，第一布里淵區(qū)的r-K和r-M方向夾角為30。；
參見圖2，正方晶格、三角晶格和蜂窩晶格聲帶隙材料中的不銹鋼管直徑為 80mm，壁厚2mm，相鄰不銹鋼管中心距離為85mm。不銹鋼管的密度和縱波波速分別為 7. 89X103kg/m3和5780m/s，空氣的密度和波速分別為1. 29kg/m3和340m/s，這三種晶格的 填充率分別為69. 57% 、80. 33 %和53. 55%。 參見圖3，圖(a)陰影區(qū)域表示蜂窩晶格r-M方向的一層，圖(b)陰影區(qū)域表示正
方晶格r-x方向的一層，圖(c)陰影區(qū)域表示三角晶格r-x方向的一層。
參見圖4，本發(fā)明提出串聯(lián)結構聲帶隙材料，其中蜂窩晶格和三角晶格的r-M方
向為4層、正方晶格r-x方向為3層，串聯(lián)結構隔音與這三種晶格排列順序無關。 本發(fā)明提出的二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料以直徑相同圓管串聯(lián)組成為例，這 種隔音材料易于加工制作。如串聯(lián)結構中的不銹鋼管的直徑為80mm，壁厚為2mm，相鄰不 銹鋼管中心距離為85mm，正方、三角晶格和蜂窩晶格的填充率分別為69. 57%、80. 33%和 53. 55%，而且這三種晶格的間距為5mm。它們能夠獲得0. 631kHz 4. 989kHz較寬帶隙和 多個高頻帶隙。若采用圓管直徑小于80mm，正方、三角晶格和蜂窩晶格的填充率分別低于 69. 57% 、80. 33%和53. 55% ，那么獲得帶隙的頻率范圍變小，反之，圓管直徑大于80mm，相 應地高于以上三種晶格的填充率就能夠得到更寬的帶隙。串聯(lián)結構隔音聲帶隙材在人耳最 為靈敏的1 3kHz頻率范圍能很好抑制環(huán)境噪音，可用于聲屏障。在高速公路、鐵路、城市 交通以及室內(nèi)降噪有著廣泛的工程應用前景。 參見圖5，串聯(lián)結構聲帶隙材料利用蜂窩晶格與三角晶格r-M方向陰影區(qū)域的 方向帶隙和完全帶隙、正方晶格r-X方向陰影區(qū)域的方向帶隙，能夠獲得O. 631kHz 4. 989kHz較寬帶隙和8. 347 9. 594kHz、13. 41 14. 93kHz、15. 18 16. 96kHz寬帶隙以 及多個帶隙。
權利要求
二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料，其特征在于它分別由相互平行的管在空氣中按正方晶格、三角晶格和蜂窩晶格排列串聯(lián)組成；且其中蜂窩晶格第一布里淵區(qū)Γ-M方向，三角晶格第一布里淵區(qū)Γ-M方向和正方晶格第一布里淵區(qū)Γ-X方向平行于同一直線。
2. 根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料，其特征在于其中的蜂窩晶格和三角晶格在r-M方向至少為4層、正方晶格在r-x方向至少為3層。
3. 根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料，其特征在于所述管的截面形狀 采用圓形、三角形、方形、六邊形或八邊形；所述管為金屬或非金屬材料。
全文摘要
二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材料屬于聲學領域，涉及了凝聚態(tài)物理、力學、機械和材料學等領域。這種結構它分別是由相互平行的管(實心、空心金屬或非金屬材料)在空氣中按正方晶格、三角晶格和蜂窩晶格排列串聯(lián)組成。其特征在于正方晶格Γ-X方向至少為3層、三角晶格和蜂窩晶格Γ-M方向至少為4層，而且這三種晶格排列順序無關，并且正方晶格的Γ-X方向、三角晶格和蜂窩晶格的Γ-M方向平行于同一直線上，聲波在這種串聯(lián)結構中沿著Γ-X和Γ-M方向傳播。本發(fā)明提出的二維串聯(lián)結構隔音聲帶隙材在人耳最為靈敏的1～3kHz頻率范圍能很好抑制環(huán)境噪音，可用于聲屏障。在高速公路、鐵路、城市交通以及室內(nèi)降噪有著廣泛的工程應用前景。
文檔編號G10K11/162GK101794573SQ20101003444
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權日2010年1月21日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 趙寰宇, 魏瑞菊 申請人:北京工業(yè)大學