專利名稱：具有縫隙特征散射體二維聲子結(jié)構(gòu)及由其組成的帶隙材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械類，具體涉及一種應(yīng)用于聲學(xué)、城市環(huán)境、工業(yè)噪聲 治理和航空噪聲治理的具有縫隙特征散射體二維聲子結(jié)構(gòu)及由其組成的 帶隙材料。
背景技術(shù)：
在城市和工業(yè)噪聲治理中，目前主要還是沿用經(jīng)典的吸聲和隔聲技 術(shù)，比如根據(jù)質(zhì)量定理來設(shè)計(jì)隔聲結(jié)構(gòu)。自二十世紀(jì)九十年代以來，隨著 聲子晶體的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，人們開始關(guān)注應(yīng)用聲子晶體技術(shù)來設(shè)計(jì)制備具有 聲學(xué)禁帶特性的隔聲結(jié)構(gòu)。在聲子晶體中，苛以通過增加基質(zhì)和散射體的 密度比、聲速度比、物理參數(shù)比(彈性模量等)，或通過改變散射體的截 面形狀、分布，設(shè)置缺陷，增加組份、加設(shè)吸收層等方法來獲得一定范圍 的聲學(xué)禁帶或帶隙特性，其原理主要解釋為布拉格散射和局域共振。從理 論上，上述方法都能不同程度的增加禁帶寬度，在工程領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中， 主要根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合和對(duì)象，有選擇地采用以上方法來實(shí)現(xiàn)聲學(xué)禁帶特 性，但是有時(shí)并不一定能夠達(dá)到理論目標(biāo)，尤其是當(dāng)晶格常數(shù)、基質(zhì)和散 射體物理參數(shù)、形狀，組份保持不變的情況下，禁帶特性不能很好滿足實(shí) 際需求，主要原因是所獲得的禁帶區(qū)間往往不在人耳敏感的頻率范圍。迄 今為止，大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的二維聲子晶體的禁帶頻率均處于超聲范圍或高 聲頻范圍，雖然三維聲子晶體理論和實(shí)驗(yàn)己經(jīng)證明可以獲得常用聲頻范圍 內(nèi)的禁帶特性，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備技術(shù)的參數(shù)要求高、難度大，目前還不利于推廣應(yīng)用。所以在實(shí)際應(yīng)用中，人們最關(guān)注的還是二維聲子晶體 技術(shù)?，F(xiàn)有二維聲子晶體的主要技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)如下(1) 通過增加基質(zhì)和散射體的密度比、聲速度比、物理參數(shù)比(彈 性模量等)，來增加帶隙的寬度。但因工程實(shí)際中選用材料是有條件的， 所以這些參數(shù)比的變化是有限的；(2) 通過改變散射體的截面形狀、分布來增加帶隙的寬度。散射體 的截面形狀主要有圓、方、三角形等，分布主要有三、四、六邊形分布等;(3) 人為設(shè)置缺陷。主要是在原有的周期性結(jié)構(gòu)中增加比原有散射 體物理參數(shù)和尺度參數(shù)更大的散射體。(4) 增加組份、加設(shè)吸收層。主要是把二組份結(jié)構(gòu)材料增加到三組 份或更多組份，增加的組份主要為吸收層，能夠有效防止彈性波反射和增 加阻尼。(5) 復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用不同晶格常數(shù)組成的禁帶結(jié)構(gòu)，可以獲得比較 寬的禁帶特性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種具有禁帶范圍寬、起始頻率低，且易于制 備應(yīng)用的具有縫隙特征散射體二維聲子結(jié)構(gòu)及由其組成的帶隙材料。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的散射體二維聲子結(jié)構(gòu)為在散射體上開設(shè) 一條或一條以上的用于吸聲的微縫；散射體采用圓形、方形、三角形、菱 形或六邊形的金屬管。本發(fā)明的帶隙材料為組成帶隙材料的散射體上開設(shè)的微縫自入射聲 波方向其縫寬按照逐漸增加或逐漸減小的方式組合；組成帶隙材料的散射體上開設(shè)的微縫自入射聲波方向其共振頻率范圍不重疊。本發(fā)明在布拉格散射或局域共振原理基礎(chǔ)上，通過在散射體中增加微縫吸聲功能來拓寬禁帶頻率范圍；采用機(jī)械加工的方式制備微縫散射體結(jié) 構(gòu)，成本較低；對(duì)微縫散射體的縫寬參數(shù)進(jìn)行切趾優(yōu)化組合(主要確保單 一縫寬開縫散射體所構(gòu)成的帶隙材料，其禁帶內(nèi)共振頻率范圍不重疊)， 形成復(fù)合型禁帶結(jié)構(gòu)，可以獲得寬禁帶、低起始頻率的隔聲特性。


圖1是開縫散射體帶隙材料結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是開縫散射體橫截面形狀示意圖； 圖3是開縫散射體的排列方式；圖4是兩種不同縫寬的單一縫參數(shù)開縫散射體帶隙結(jié)構(gòu)禁帶； 圖5是復(fù)合縫寬圓管帶隙材料的實(shí)驗(yàn)和理論透射系數(shù)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，散射體選材普通無縫鋼管，鋼管彈性模量205e9 Pa， 泊松比0.28，密度7850 kg/m3，圓管外徑,mm，壁厚3mm，長(zhǎng)度 540咖，開縫數(shù)3,縫距D: 8咖，縫寬W (三種)6腿、4mm、 2mm?；|(zhì) 空氣。用普通車床加工鋼管外圓定位面，用快速雕銑機(jī)切縫，將加工后的 散射體按照每種縫寬3行2列的方式組裝(參見圖l， 3)，其排列方式可 以是規(guī)則排列或相互交錯(cuò)排列，實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算的結(jié)果如圖5所示 圖5中的透射系數(shù)曲線表明，本專利申請(qǐng)?zhí)岢龅拈_縫圓管散射體結(jié)構(gòu)具有 低起始頻率(大約在1600Hz)和大帶寬(1600 8600Hz)的良好禁帶特性。參見圖2，本發(fā)明的散射體可以采用正方形，三角形或菱形結(jié)構(gòu)的管參見圖4，以W/D=0. 75、 0. 25兩種單一縫寬開縫散射體帶隙結(jié)構(gòu)禁 帶來說明共振頻率不重疊的含義，Rt、 R2分別為W/D=0. 75、 0.25的共振 頻率范圍，R的共振截至頻率小于R2的共振起始頻率，即兩者的共振頻率 范圍不發(fā)生重疊。本發(fā)明在不改變聲子晶體的晶格常數(shù)、組分等參數(shù)條件下，采用一種 具有縫隙特征的二維散射體結(jié)構(gòu)形式，即在原有散射體結(jié)構(gòu)中上開出 一條 或一條以上的微縫用以吸聲；采用現(xiàn)有金屬管，具有成本低、耐高溫和適 應(yīng)高流速場(chǎng)的特點(diǎn)；制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高，周期低，適合大 規(guī)模、批量生產(chǎn)。對(duì)散射體的縫隙參數(shù)進(jìn)行切趾優(yōu)化，確保單一縫寬開縫 散射體所構(gòu)成的帶隙材料，其禁帶內(nèi)共振頻率范圍不重疊；對(duì)不同縫隙參 數(shù)的開縫散射體進(jìn)行組合，形成梯度結(jié)構(gòu)，達(dá)到降低起始頻率、擴(kuò)大禁帶 寬度的目標(biāo)；在制備技術(shù)上，采用機(jī)械加工方式，按設(shè)計(jì)要求對(duì)金屬管切 縫和組裝，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。按照本發(fā)明的散射體結(jié)構(gòu)組成的帶隙材料具有比較大的禁帶寬度 (6000Hz以上)；起始頻率處于人耳敏感頻段(理論上為1500Hz左右)； 不改變晶格常數(shù)條件下優(yōu)化縫隙參數(shù)，還可以結(jié)合現(xiàn)有的其它帶隙技術(shù)， 比如設(shè)置缺陷、增加組份等進(jìn)一步改善禁帶特性。
權(quán)利要求
1、一種具有縫隙特征散射體的二維聲子結(jié)構(gòu)，其特征在于在散射體上開設(shè)一條或一條以上的用于吸聲的微縫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有縫隙特征散射體的二維聲子結(jié)構(gòu)，其 特征在于所說的散射體采用圓形、方形、三角形、菱形或六邊形的金屬 管。
3、 一種按照權(quán)利要求1所述的具有縫隙特征散射體的二維聲子結(jié)構(gòu) 組成的帶隙材料，其特征在于所說的組成帶隙材料的散射體上開設(shè)的微 縫自入射聲波方向其縫寬按照逐漸增加或逐漸減小的方式組合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶隙材料，其特征在于所說的組成帶隙 材料的散射體上開設(shè)的微縫自入射聲波方向其共振頻率范圍不重疊。
全文摘要
本發(fā)明提出一種具有縫隙特征散射體二維聲子結(jié)構(gòu)及由其組成的帶隙材料，在晶格常數(shù)和材料組分等參數(shù)條件不變的情況下，在散射體上開設(shè)一條或一條以上的用于吸聲的微縫。采用本結(jié)構(gòu)技術(shù)可獲得較寬帶隙、較低起始頻率的聲學(xué)禁帶特性。與以往具有聲頻禁帶特性的二維聲子結(jié)構(gòu)相比，在保留聲子晶體原有參數(shù)不變的條件下，通過對(duì)散射體開縫來實(shí)現(xiàn)拓寬禁帶范圍、降低禁帶起始頻率的目標(biāo)。其機(jī)理是在布拉格散射和局域共振原理基礎(chǔ)上，增加了微縫消聲機(jī)制，并通過改變縫隙的參數(shù)(縫數(shù)、縫寬、方位)來調(diào)節(jié)禁帶的起始頻率和禁帶的寬度，從而獲得比原有聲子結(jié)構(gòu)更優(yōu)的聲學(xué)禁帶特性。
文檔編號(hào)G10K11/00GK101329864SQ20081015032
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者釗 吳, 崔戰(zhàn)友, 波 張, 陳天寧 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)