一種具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，包括軸基體，在軸基體外沿其軸向設(shè)置有若干段周期性分布的橡膠層，在橡膠層外有散射體，每一段橡膠層由多個(gè)離散的圓弧橡膠段組成，本發(fā)明聲子晶體軸具有比傳統(tǒng)聲子晶體軸更低的帶隙特性，并且對(duì)于三種彈性波都有可控制的帶隙范圍；其帶隙還可通過(guò)調(diào)整橡膠弧段的角度和數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)；并且，當(dāng)橡膠弧段的數(shù)目保持不變而每個(gè)橡膠弧段的角度減小時(shí)，第一完全帶隙趨于消失的狀態(tài)；本發(fā)明聲子晶體軸在精密機(jī)械工程上有潛在的應(yīng)用，可以對(duì)傳動(dòng)軸的低頻振動(dòng)進(jìn)行控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有低頻減振特性的離散化橡膠層 的聲子晶體軸。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲子晶體是一種新型的人工結(jié)構(gòu)功能材料，通過(guò)設(shè)計(jì)可以人為調(diào)控彈性波的傳 輸，落在帶隙頻率內(nèi)彈性波的禁止傳播。聲子晶體已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于隔離噪聲和振動(dòng)，機(jī)械 濾波器和導(dǎo)波管中。
[0003] 目前，聲子晶體存在兩種截然不同的禁帶機(jī)制，即布拉格帶隙機(jī)制和和局域共振 型機(jī)制。布拉格帶隙機(jī)理中聲子晶體晶格常數(shù)與基體材料的禁帶波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)，這就限制 了聲子晶體晶格尺寸。2000年香港科技大學(xué)劉正猷提出局域共振型機(jī)制，他研究的一種三 維三組元聲子晶體結(jié)構(gòu)(包裹橡膠的鉛球周期性地插入到環(huán)氧樹(shù)脂中），晶格常數(shù)比基體材 料中的禁帶波長(zhǎng)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，成功地實(shí)現(xiàn)了小尺寸材料控制大波長(zhǎng)聲傳播的目標(biāo)。隨后， 局域共振機(jī)理的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)。Goffaux等人發(fā)現(xiàn)在包裹橡膠的鉛柱周期性地插入到 環(huán)氧樹(shù)脂中的二維結(jié)構(gòu)中存在狹窄的帶隙。隨后王剛把橡膠柱體插入到環(huán)氧樹(shù)脂中由于橡 膠本身的密度和彈性也得到了帶隙。近年，一些學(xué)者對(duì)彈性波在周期粘附局域共振子的一 維聲子晶體結(jié)構(gòu)中的傳播特性進(jìn)行了研究，并得到了期望的低頻帶隙。
[0004] 在工程機(jī)械中，特別是精密儀器中，軸的彈性振動(dòng)是一個(gè)非常典型的問(wèn)題，會(huì)減少 軸的使用壽命和影響機(jī)器的精度及可靠運(yùn)行。并且，帶隙相對(duì)較高(200-1000HZ)，必須附 加重量比較大的局域共振結(jié)構(gòu)才能得到低頻帶隙，增加了工程應(yīng)用的困難，且只能隔離扭 轉(zhuǎn)振動(dòng)，同時(shí)調(diào)節(jié)方式非常單一。但是在精密機(jī)械中，通常僅允許軸附加輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并且 軸的振動(dòng)通常是三種彈性振動(dòng)(完曲振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)）的耦合;而且，軸的振動(dòng)頻 率通常隨著轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)多樣化，亟需更豐富的調(diào)節(jié)方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種具有低頻減振特性的 離散化橡膠層的聲子晶體軸，調(diào)節(jié)方式靈活，具有優(yōu)異的低頻振動(dòng)(包含彎曲波、扭轉(zhuǎn)波、縱 波)帶隙特性。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，包括軸基體1，在軸基體1 外沿其軸向設(shè)置有若干段周期性分布的橡膠層2,在橡膠層2外有散射體3,每一段橡膠層2 由多個(gè)離散的圓弧橡膠段組成。每一段橡膠層2對(duì)應(yīng)著一個(gè)晶格，橡膠層2為圓柱管結(jié)構(gòu)(帶 離散間隙），每一段橡膠層2均包覆在軸基體1上。
[0008] 所述組成一段橡膠層2的各個(gè)圓弧橡膠段的角度相等或不等。
[0009] 所述組成一段橡膠層2的各個(gè)圓弧橡膠段對(duì)稱(chēng)分布或非對(duì)稱(chēng)分布。
[0010] 保持組成一段橡膠層2的圓弧橡膠段的數(shù)量不變，減小各圓弧橡膠段的角度，以使 聲子晶體軸的第一完全帶隙趨于消失。
[0011] 本發(fā)明優(yōu)選方案:所述軸基體1的截面半徑為0.005m，橡膠層2的厚度為0.003m，散 射體3的厚度為0.002m，每一段橡膠層2的長(zhǎng)度為0.025m，相鄰兩段橡膠層2之間的距離為 0.05m〇
[0012] 本發(fā)明優(yōu)選方案:所述每一段橡膠層2由三個(gè)圓弧橡膠段組成，均勻分布，每個(gè)圓 弧橡膠段的中心角均為60°。
[0013] 本發(fā)明優(yōu)選方案:所述每一段橡膠層2由三個(gè)中心角分別為30°、60°和90°的圓弧 橡膠段組成，相鄰圓弧橡膠段的間距相等。
[0014] 本發(fā)明優(yōu)選方案:所述每一段橡膠層2由三個(gè)圓弧橡膠段組成，均勻分布，每個(gè)圓 弧橡膠段的中心角均為10°。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明聲子晶體軸具有比傳統(tǒng)聲子晶體軸更低的帶隙特性，并 且對(duì)于三種彈性波都有可控制的帶隙范圍；其帶隙還可通過(guò)調(diào)整橡膠弧段的角度和數(shù)量進(jìn) 行調(diào)節(jié)。并且，當(dāng)橡膠弧段的數(shù)目保持不變而每個(gè)橡膠弧段的角度減小時(shí)，第一完全帶隙趨 于消失的狀態(tài)。本發(fā)明聲子晶體軸在精密機(jī)械工程上有潛在的應(yīng)用，可以對(duì)傳動(dòng)軸的低頻 振動(dòng)進(jìn)行控制。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖（橫截面）。
[0017] 圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖（縱截面）。
[0018] 圖3是本發(fā)明具有離散橡膠層的聲子晶體軸的實(shí)波矢，橫坐標(biāo)表示實(shí)波矢。
[0019] 圖4是傳統(tǒng)的具有連續(xù)橡膠層的聲子晶體軸的實(shí)波矢。【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0021] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸， 包括軸基體1，在軸基體1外沿其軸向設(shè)置有若干段相互離散的橡膠層2,在橡膠層2外有散 射體3。每一段橡膠層2由n(n多2)個(gè)離散的圓弧橡膠段組成，各個(gè)圓弧橡膠段的中心角分別 為<1 1、€[2、€[3、一...€[11，可以全部相等，也可分別不等。相應(yīng)地，相鄰圓弧橡膠段之間的距離依 次為扮、0 2、03、-_...&，可以全部相等，也可分別不等，由此形成對(duì)稱(chēng)分布或非對(duì)稱(chēng)分布的 結(jié)構(gòu)。
[0022] 本發(fā)明中，軸基體1為環(huán)氧樹(shù)脂，散射體3為鉛，具體的材料參數(shù)如表1所示。尺寸參 數(shù):軸基體1的截面半徑ri = 0.005m，（軸基體1+橡膠層2)的截面半徑r2 = 0.008m，（軸基體1+ 橡膠層2+散射體3)的截面半徑r3 = 0.010m，單段橡膠層2的長(zhǎng)度ai = 0.025m，（單段橡膠層2+ 相鄰橡膠層2之間間隙）的長(zhǎng)度a = 0.075m。
[0023] 表1材料參數(shù)
[0025]以下是本發(fā)明的三個(gè)具體實(shí)施例，給出了組成橡膠層2的圓弧橡膠段的數(shù)量、分布 形式等具體的參數(shù)選擇。
[0026] 實(shí)施例1
[0027] n = 3，a1 = a2 = a3 = 01 = 02 = 03 = 6〇°，在0-1500HZ的范圍內(nèi)，有兩個(gè)完全帶隙，如 圖3所示。第一完全帶隙：308.7-309.4Hz，第二完全帶隙325.7-487.6Hz。彎曲波帶隙： 321Hz-1018Hz，扭轉(zhuǎn)波帶隙 142Hz-763Hz，縱波帶隙 206Hz-488Hz。
[0028]圖4是傳統(tǒng)的聲子晶體軸的能帶圖，可以看出，在0-1500Hz有兩個(gè)完全帶隙，第一 完全帶隙357.6-442kHz .第二完全帶隙484.5-672.8Hz .彎曲波帶隙357.5-442Hz和 484-1438Hz，扭轉(zhuǎn)波帶隙 197tol018Hz 縱波帶隙270-680Hz。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] n = 3，a1 = 30。，a2 = 60。，a3 = 90。，01 = 02 = &3 = 6〇。，在0-1500HZ的范圍內(nèi)，有兩個(gè) 完全帶隙。第一完全帶隙：330-350Hz，第二完全帶隙369-502Hz。彎曲波帶隙：330Hz - 350Hz，369-870Hz，扭轉(zhuǎn)波帶隙 142Hz-754Hz，縱波帶隙 209Hz-502Hz。
[0031] 實(shí)施例3
[0032] n = 3，ai = a2 = a3= 10°，仏=% = 03 = 110°，其彎曲波，最低帶隙是從 128 ? 6至 319HZ，縱波最低能帶隙是從84-201HZ，三種彈性波帶隙最低。扭轉(zhuǎn)波的最低能帶隙是從44 到245HZ。對(duì)于完全帶隙來(lái)說(shuō)最低是從128.6到201取。
[0033] 可見(jiàn)，采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以使得：
[0034] 1、帶隙下降
[0035]離散橡膠層的引入，使新結(jié)構(gòu)的第完全一帶隙下降且寬度減小至基本消失狀態(tài)， 第二帶隙下降。橡膠層的離散化對(duì)于彎曲波的影響較大，使彎曲波的第一帶隙消失，第二帶 隙下移;而扭轉(zhuǎn)波、縱波的帶隙均呈下降趨勢(shì)，且色散曲線的形狀大致不變。
[0036] 2、應(yīng)用離散橡膠弧段的度數(shù)和數(shù)量對(duì)帶隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0037]當(dāng)離散橡膠層的段數(shù)確定，角度減小時(shí)，三類(lèi)彈性波的帶隙均呈下移的狀態(tài)，，并 且第一完全帶隙消失。當(dāng)每個(gè)橡膠弧段的角度固定而數(shù)目增加，帶隙呈線性下降。當(dāng)離散橡 膠層的總度數(shù)為固定時(shí)，則新聲子晶體結(jié)構(gòu)軸的縱向帶隙幾乎保持不變，而扭轉(zhuǎn)波帶隙和 橫波帶隙隨著弧度數(shù)量的減少而下降。
[0038]因此，本發(fā)明聲子晶體軸可以應(yīng)用于精密加工機(jī)械及智能儀器，在精密加工機(jī)械 及智能儀器中，軸的振動(dòng)會(huì)影響其加工和測(cè)量的精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，包括軸基體（I)，在軸基體 (1)外沿其軸向設(shè)置有若干段周期性分布的橡膠層(2)，在橡膠層(2)外有散射體(3)，其特 征在于，每一段橡膠層(2)由多個(gè)離散的圓弧橡膠段組成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在于， 所述組成一段橡膠層(2)的各個(gè)圓弧橡膠段的角度相等或不等。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在 于，所述組成一段橡膠層(2)的各個(gè)圓弧橡膠段對(duì)稱(chēng)分布或非對(duì)稱(chēng)分布。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在于， 保持組成一段橡膠層(2)的圓弧橡膠段的數(shù)量不變，減小各圓弧橡膠段的角度，以使聲子晶 體軸的第一完全帶隙趨于消失。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在于， 所述軸基體(1)為環(huán)氧樹(shù)脂，散射體(3)為鉛。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在于， 所述軸基體（1)的截面半徑為0.005m，橡膠層（2)的厚度為0.003m，散射體（3)的厚度為 0.002m，每一段橡膠層(2)的長(zhǎng)度為0.025m，相鄰兩段橡膠層(2)之間的距離為0.05m。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在于， 所述每一段橡膠層（2)由三個(gè)圓弧橡膠段組成，均勻分布，每個(gè)圓弧橡膠段的中心角均為 60。。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在于， 所述每一段橡膠層（2)由三個(gè)中心角分別為30°、60°和90°的圓弧橡膠段組成，相鄰圓弧橡 膠段的間距相等。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低頻減振特性的離散化橡膠層的聲子晶體軸，其特征在于， 所述每一段橡膠層（2)由三個(gè)圓弧橡膠段組成，均勻分布，每個(gè)圓弧橡膠段的中心角均為 10。。
【文檔編號(hào)】G10K11/162GK105931628SQ201610240208
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】李麗霞, 蔡安江, 解妙霞
【申請(qǐng)人】西安建筑科技大學(xué)