專利名稱：一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于聲學(xué)，涉及了機械、凝聚態(tài)物理、力學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于航空、航天等方面的在役高精密儀器來說，其對加工精度和工作精度的要求都很高。一方面，需要為高精密加工系統(tǒng)提供一定頻率范圍內(nèi)的無振動加工環(huán)境，保證較高的加工精度要求；另一方面，要為特殊儀器或設(shè)備提供一定頻率范圍內(nèi)的無振動工作環(huán)境， 提高工作精度和可靠性，同時延長其工作壽命。因此，如何獲得特定頻率范圍內(nèi)的無振動環(huán)境成為頻率控制工作者面臨的一項關(guān)鍵性課題。近年來，一種人造周期性復(fù)合結(jié)構(gòu)-聲子晶體受到人們的廣泛關(guān)注。其中傳播的彈性波由于受到彈性常數(shù)的周期性調(diào)制，可能會產(chǎn)生聲子帶隙，即一定頻率范圍的彈性波傳播被抑制。聲子晶體的這種聲學(xué)特性使得其具有廣泛的應(yīng)用前景，例如用于環(huán)境的減震降噪、制作新的聲濾波器、頻率分離器，耦合器、聲波導(dǎo)等。因此，聲子晶體已成為材料學(xué)、物理學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科活躍的研究領(lǐng)域之一。聲子帶隙的存在是聲子晶體廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，這就要求人們了解聲子晶體帶隙的調(diào)制機理。研究表明，聲子晶體帶隙主要受材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的影響，其中豐富的幾何參數(shù)為我們設(shè)計各種各樣的聲子晶體提供了可能。對于由周期性排列的孔(真空或填充空氣)組成的聲子晶體，其帶隙特性主要由結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)來決定，因為制作簡單而備受關(guān)注。大量科技工作者對該類聲子晶體進行了研究，但主要考慮凸截面型孔的情況，帶隙的位置和寬度不易調(diào)節(jié)并且要獲得較寬的聲學(xué)帶隙對孔隙率有較高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在既定孔隙率下不能滿足聲學(xué)特性要求的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)及制作方法。該結(jié)構(gòu)在既定孔隙率 (小于50% )下，不但能滿足結(jié)構(gòu)強度和聲學(xué)特性的要求，達到隔音減振的效果，而且能獲得最寬聲學(xué)帶隙。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)，由非凸型截面孔周期性排列組成。非凸型截面孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式排列。非凸型截面孔是通過在方孔各條邊中心附近向方孔中心對稱凸出一個矩形而形成的，且其各條邊沒有相互交叉。非凸型截面孔的截面面積由結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性來確定，以獲得最寬聲學(xué)帶隙為標準確定其相對尺寸，以獲得滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標準確定其具體尺寸。一種含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作方法，含有以下步驟
根據(jù)結(jié)構(gòu)強度和孔隙率(小于50% )的要求，計算非凸型截面的相對尺寸；非凸型截面孔是通過在方孔各條邊中心附近向方孔中心對稱凸出一個矩形而形成的，且其各條邊沒有相互交叉；根據(jù)結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)，并獲得非凸型截面孔的具體尺寸；在此基礎(chǔ)上，在要求的基體材料上鑿孔，調(diào)整非凸型截面孔的對稱性，使其在結(jié)構(gòu)周期方向上呈密排形式分布，從而達到獲得具有最寬聲學(xué)帶隙的聲子功能材料結(jié)構(gòu)的目的。具體還包括以下步驟步驟1 ；非凸型截面孔相對尺寸的確定，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)強度和孔隙率(小于50%)的要求，且材料的應(yīng)變不超過0.2% ；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)以獲得最寬聲學(xué)帶隙為確定準則；步驟2 ；晶格常數(shù)的確定應(yīng)以滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標準；步驟3 ；新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作應(yīng)在要求的基體材料上鑿孔；孔的具體尺寸由步驟1和2確定；調(diào)整結(jié)構(gòu)的對稱性，使非凸型截面孔按正方晶格并呈密排形式分布， 相鄰孔截面形心距離為a ；步驟4 ；方法的適用性對于不同結(jié)構(gòu)孔隙率的要求，重復(fù)步驟1，確定該非凸型截面孔的相對尺寸；接著重復(fù)步驟2，確定晶格常數(shù)；之后重復(fù)步驟3，按照步驟1和2確定孔截面的具體尺寸，進行新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作，即可得到滿足該要求的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是在滿足結(jié)構(gòu)強度和聲學(xué)特性要求的同時，獲得最寬聲學(xué)帶隙，結(jié)構(gòu)中僅含周期性分布的非凸型截面孔，加工簡單。


當結(jié)合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解， 構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定，其中圖1是本發(fā)明的原理圖。圖2是非凸型截面孔的示意圖。圖3是含非凸型截面孔新型聲子功能材料的一個原胞的示意圖。圖4是含非凸型截面孔新型聲子功能材料的構(gòu)造圖。圖5是第二個實施例的能帶結(jié)構(gòu)圖(呈密排形式分布的正方形孔)。圖6是第二個實施例的能帶結(jié)構(gòu)圖(呈密排形式分布的非凸型截面孔)。
具體實施例方式參照圖1至圖6對本發(fā)明的實施例進行說明。顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保護范圍。實施例1 含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征是具體還包括以下步驟
步驟1 ；非凸型截面孔相對尺寸的初步設(shè)計孔截面示意圖如圖2所示，記非凸型截面孔截面尺寸為b、c和d，根據(jù)結(jié)構(gòu)強度的要求，確定c/a的最大值；要獲得較寬聲學(xué)帶隙，孔截面尺寸應(yīng)滿足b/a = c/a-0. 3，此為使結(jié)構(gòu)獲得最寬聲學(xué)帶隙的一個必要條件；要獲得最寬聲學(xué)帶隙，還要盡量減小矩形(即圖2中長度為(c_b)/2，寬度為d的四個小矩形) 之間的距離，但應(yīng)避免矩形在振動時相互接觸，假設(shè)材料的應(yīng)變不超過0. 2 %，則孔截面尺寸應(yīng)滿足如下關(guān)系1. 002b/c = 0. 996d/c+0. 006 ；步驟2 ；非凸型截面孔相對尺寸的確定記結(jié)構(gòu)要求的孔隙率為％，非凸型截面孔的截面積為As = c2+2bd-2cd，聲子功能材料一個原胞的面積為A = a2，則結(jié)構(gòu)的孔隙率為 φ = AJA = (c2 + 2bd - 2cd)la2 ；將步驟2確定的幾何參數(shù)帶入上式，若識=φ{(diào)),則步驟2得到的幾何參數(shù)即為非凸型截面孔的尺寸；若，根據(jù)步驟2確定的c/a，聯(lián)立方程識及 d/a = -6. 67 (c/a-0. 3) (b/a-c/a+0. 15)，得到孔截面相對尺寸；若識> φ,，減小步驟1中確定的c/a，重復(fù)步驟1和2，直至P = φ,，獲得孔截面相對尺寸；步驟3 ；晶格常數(shù)的確定在聲子功能材料能帶結(jié)構(gòu)圖中，橫坐標為波矢，縱坐標為頻率；通常使用基體中波長等于晶格常數(shù)的波所對應(yīng)的頻率(ct/a，ct為基體中橫波波速，a為圖4所示正方排列聲子功能材料的晶格常數(shù)，即圖3所示聲子功能材料原胞的邊長)作為基準對本征頻率(Hz)的具體值進行簡約化，得到無量綱的約化頻率或簡約頻率 (記為Ω)，這就使得計算結(jié)果與具體的晶格常數(shù)無關(guān)。實際結(jié)構(gòu)要求在一定聲學(xué)頻率范圍內(nèi)具有禁帶效應(yīng)，但由于結(jié)果的無量綱化，聲學(xué)頻率fa。。usti。與晶格常數(shù)a呈反比關(guān)系，即 facoustic = Ω X Ct/α，故晶格常數(shù)的確定應(yīng)以滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標準。步驟4 ；新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作根據(jù)步驟3確定的晶格常數(shù)和步驟2確定的孔截面相對尺寸，得到孔截面的具體尺寸；在要求的基體材料上鑿孔，調(diào)整結(jié)構(gòu)的對稱性，使非凸型截面孔按正方晶格排列，并在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式分布，即使任意相鄰的孔在結(jié)構(gòu)周期方向的距離最小，相鄰孔截面形心距離為a ；步驟5 ；對于不同結(jié)構(gòu)孔隙率的要求，重復(fù)步驟1和2，確定該非凸型截面孔的相對尺寸；接著重復(fù)步驟3，確定晶格常數(shù)；之后重復(fù)步驟4，按照步驟1和2確定孔截面的具體尺寸，并進行新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作，即可得到滿足該要求的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。步驟6 ；方法的適用性對于不同結(jié)構(gòu)孔隙率的要求，重復(fù)步驟1和2，確定該非凸型截面孔的相對尺寸；接著重復(fù)步驟3，確定合適的晶格常數(shù)；之后重復(fù)步驟5，按照步驟1 和2確定非凸型截面孔的具體尺寸，進行新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作，即可得到滿足給定要求的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。實施例2 孔截面示意圖如圖2所示，根據(jù)要求的孔隙率和結(jié)構(gòu)強度，確定非凸型截面孔的相對尺寸；圖3中晶格常數(shù)的確定要滿足對結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求；在給定的基體中鑿孔，調(diào)整結(jié)構(gòu)的對稱性，形成如圖4所示的含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其中，非凸型截面孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式排列；圖3為圖4的原胞示意圖。假設(shè)結(jié)構(gòu)要求的孔隙率為％ =35.65%，結(jié)構(gòu)強度的要求為c/a彡0. 7 ；由步驟1可得，b/a = 0. 4，d/a = 0. 398，而此時爐=0.251 ,φ < φ,，故應(yīng)根據(jù)步驟2確定孔截面相對尺寸； 即聯(lián)立方程 0. 72+2bd/a2-2 X 0. 7d/a = 0. ；3565 和 d/a = -6. 67 X 0. 4 X (b/a-0. 55)，可得 b/ a = 0. 45，d/a = 0.沈7，此即為非凸型截面孔的相對尺寸。
在圖5、圖6所示的實施例中，孔隙率為35. 65%，圖5為呈密排形式分布的正方形孔，圖6為呈密排形式分布的非凸型截面孔。圖中橫坐標為簡約波矢量，縱坐標為簡約頻率，陰影部分表示完全聲學(xué)帶隙(即該頻率范圍內(nèi)的聲波在結(jié)構(gòu)中的傳播被抑制)。對于正方形孔，結(jié)構(gòu)無帶隙產(chǎn)生。對于非凸型截面孔，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了兩個完全帶隙，第一帶隙所在的頻率范圍為0.32 < Ω <0.62，帶隙寬度為Δ Q1 = 0.3 (a/ct)，第二帶隙所在的頻率范圍為 0.69 < Ω <0.80，帶隙寬度為 Δ Ω2 = 0. ll(a/ct)。假設(shè)結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)帶隙頻率為fa。。usti。( 10kHz，且?guī)侗M可能寬，則最大聲學(xué)帶隙頻率所對應(yīng)的歸一化頻率應(yīng)小于0. 62，即滿足要求的結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)為a = 0. 62Xct/ facoustic彡107mm，取a = 107mm，則滿足要求的非凸型截面孔的具體尺寸為c = 75mm, b = 48mm, d =觀讓，該結(jié)構(gòu)在5. 16kHz-10kHz之間產(chǎn)生一個寬度為4. 84kHz的帶隙；假設(shè)結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)帶隙頻率為fa。。usti。^ 10kHz，且?guī)侗M可能寬，則最大聲學(xué)帶隙頻率所對應(yīng)的歸一化頻率應(yīng)大于0. 32，即滿足要求的結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)為a = 0. 32Xct/facoustic ( 55_，取a =55mm，則滿足要求的非凸型截面孔的尺寸為c = 38. 5mm, b = 25mm, d = 15mm，該結(jié)構(gòu)在 10kHz-19. 4kHz之間產(chǎn)生一個寬度為9. 4kHz的帶隙。由上述分析可以看出，在滿足結(jié)構(gòu)孔隙率和強度要求的前提下，根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，通過引入非凸型截面孔并改變結(jié)構(gòu)的對稱性，能夠產(chǎn)生較寬的聲學(xué)帶隙，且?guī)兜奈恢煤蛯挾容^易調(diào)節(jié)。如上所述，對本發(fā)明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點及效果可以有很多的變形，這對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征是含有以下步驟根據(jù)結(jié)構(gòu)強度和孔隙率小于50%的要求，計算非凸型截面的相對尺寸；非凸型截面孔是通過在方孔各條邊中心附近向方孔中心對稱凸出一個矩形而形成的，且其各條邊沒有相互交叉；根據(jù)結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)，并獲得非凸型截面孔的具體尺寸；在此基礎(chǔ)上，在要求的基體材料上鑿孔，調(diào)整非凸型截面孔的對稱性，使其在結(jié)構(gòu)周期方向上呈密排形式分布，獲得給定要求下具有最寬聲學(xué)帶隙的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征是還包括以下步驟步驟1 ；非凸型截面孔相對尺寸的確定，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)強度和孔隙率小于50%的要求，且材料的應(yīng)變不超過0.2% ；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)以獲得最寬聲學(xué)帶隙為確定準則；步驟2 ；晶格常數(shù)的確定應(yīng)以滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標準；步驟3 ；新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作應(yīng)在要求的基體材料上鑿孔；孔的具體尺寸由步驟1和2確定；調(diào)整結(jié)構(gòu)的對稱性，使非凸型截面孔按正方晶格并呈密排形式分布，相鄰孔截面形心距離為a ；步驟4 ；對于不同結(jié)構(gòu)孔隙率的要求，重復(fù)步驟1，確定該非凸型截面孔的相對尺寸；接著重復(fù)步驟2，確定晶格常數(shù)；之后重復(fù)步驟3，按照步驟1和2確定孔截面的具體尺寸，進行新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作，即可得到滿足該要求的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制作的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其特征是非凸型截面孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制作的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其特征是由非凸型截面孔周期性排列組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制作的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其特征是非凸型截面孔是通過在方孔各條邊中心附近向方孔中心對稱凸出一個矩形而形成的，且其各條邊沒有相互交叉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制作的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其特征是非凸型截面孔的截面面積由結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性來確定，以獲得最寬聲學(xué)帶隙為標準確定其相對尺寸，以獲得滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標準確定其具體尺寸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)及制作方法。聲子功能材料結(jié)構(gòu)由周期性排列的非凸型截面孔組成，其特征在于非凸型截面孔是通過在方孔各條邊中心附近向方孔中心對稱凸出一個矩形而形成的，且其各條邊沒有相互交叉；根據(jù)結(jié)構(gòu)強度和孔隙率(小于50％)的要求，計算非凸型截面的相對尺寸；根據(jù)結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)，并獲得非凸型截面孔的具體尺寸；在此基礎(chǔ)上，在要求的基體材料上鑿孔，調(diào)整非凸型截面孔的對稱性，使其在結(jié)構(gòu)周期方向上呈密排形式分布，從而達到獲得具有最寬聲學(xué)帶隙的聲子功能材料結(jié)構(gòu)的目的。本發(fā)明的有益效果是，在滿足結(jié)構(gòu)強度和聲學(xué)特性要求的同時，獲得最寬聲學(xué)帶隙，結(jié)構(gòu)中僅含周期性分布的非凸型截面孔，加工簡單。
文檔編號G10K11/165GK102169688SQ20111007543
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者汪越勝, 王艷鋒 申請人:北京交通大學(xué)