专利名称：二维阿基米德格子声带隙结构的制作方法
技术领域：
本实用新型二维阿基米德格子声带隙结构属于凝聚态物理，涉及了机械、声学、力 学和结构学等领域。
背景技术：
近年来，人们对经典波(包括电磁波和弹性波)在人工周期带隙结构传播特性的 研究产生了浓厚的兴趣。当弹性波或声波在其中传播时，受到周期结构约束形成Bloch波， Bloch波的最大特征是在一定频率范围内能量不能传播或透过(称此频段为带隙或禁带)， 我们称这类周期结构为声带隙结构，也称为声子晶体。声子晶体是由两种或两种以上弹性 介质按不同晶格周期排列复合的声带隙功能结构。利用其带隙性质，可设计出全新隔振、降 噪结构；利用其缺陷态性质，还能够设计出滤波器、耦合器、分离器等；利用其声波负折射 性质，还可设计超棱镜、超透镜等；利用其声波自准直效应，可设计控制声波传播的器件，所 以声带隙结构在工程领域有着广泛的应用前景。声带隙结构的能带结构主要由以下结构参数决定散射体和基体的质量密度比、 剪切模量比与泊松比，散射体截面形状，晶格拓扑结构，填充率。通过理论研究选择合适的 参数，设计所需要声带隙结构的频率范围，但是实际工程中可选组分结构并不多，它们参数 变化有限的，设计它们时主要考虑以下方面因素①通过增加散射体和基体的质量密度比、剪切模量、泊松比，可增加带隙的宽度；②改变散射体截面形状，增加带隙的宽度，散射体形状主要有圆形，正方形，长方 形，三角形，六边形等；③在晶格中周期结构中引入缺陷，可设计滤波器和波分复用器件；④随着填充率增加，声子晶体带隙变宽；⑤选择适当的填充率和晶格类型，，声子晶体构成平板透镜，具有声波负折射和点 源成像的物理现象。⑥设计复杂晶格，可得到宽频域自准直现象。例如，两种填充率三角晶格混合在一 起。目前，国内外大多数文献报道二维声子晶体的研究，主要集中二维布拉伐 (Bravais)格中的正方晶格、三角晶格，散射体截面是圆柱形、正方形、三角形和六角形，其 为实心结构。此外，有的学者研究了散射体是无缝钢管、缝隙钢管和方形空心管声带隙，这 些都限制对二维声带隙结构物理性质的研究。在1619年，约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)在《宇宙和谐》(Harmonices Mundi) 一书中首次完整地描述了由正凸多边形组成棋盘状11种二维阿基米德格子，它包 括常见的正方晶格和三角晶格。这些正凸多边形以相互边到边重合的方式完全地排列在一 个顶点周围，但它们并不是同一种正凸多边形。所以引入古老阿基米德格子，能够拓宽声子 晶体研究内容。
实用新型内容本实用新型的目的是提出了二维阿基米德格子(Archimedian lattices)声带隙 结构。本实用新型提出了 7种二维阿基米德格子声带隙结构，可能在声波负折射、声波 聚焦和自准直效应等物理现象带来新的特性。本实用新型提出了二维阿基米德格子声带隙结构，包括散射体和基体，所述散 射体由由相互平行的刚性柱按晶格排列而成；其特征在于所述晶格类型为二维(34.6)、 (3. 4. 6. 4)、(4. 6. 122)、(42. 8)、(32. 4. 3. 4)、(33. 42)或(3. 122)晶格；刚性柱的截面形状是 圆柱形、方管、菱形管、六边形管、三角形管、十字形、工字形、U形或角形刚性柱为实心或空心。带隙结构是由散射体按不同晶格周期排列在基体中组成。本实用新型的散射体截 面形状为十字形、工字形、U形和角形。本实用新型的散射体和基体结构可利用金属、非金 属和高聚物，其中纤维、橡胶、泡沫塑料和聚苯乙烯塑料可作为基体结构。例如PVC管周期 排列空心可作为隔音墙；钢柱按不同晶格排列在纤维中组成的复合结构，可应用于工程上 减振结构；若散射体截面为十字形、工字形、U形和角形金属结构，泡沫塑料和聚苯乙烯塑 料作为基体，这样能够组合复合结构既能满足桥梁和建筑工程上的应用，又能起到减振和 降噪的效果。本实用新型提出了 7种声带隙结构分别为(34. 6)、(3. 4. 6. 4)、(4. 6. 122)、(42. 8)、 (32.4.3.4)、(33. 42)和(3. 122)。散射体为金属结构，基体为纤维、聚苯乙烯塑料或泡沫塑 料。这些声带隙复合结构可用于建筑上的隔声墙，在一定频率范围内能够降低室内噪声。本实用新型提出了二维(32· 4. 3. 4)、(42· 8)和(34· 6)格子钢/空气声带隙结构， 它们在人可听频率范围内存在低频和高频带隙，这些结构能够抑制噪声并且和声波入射方 向几乎无关，可应用于高速公路、铁路、城市交通的声屏障。
图1采用Grnbailm-Sh印hard表示的11种阿基米德格子；(a) (34. 6)格子、(b) (42. 8)格子、(c) (33. 42)格子、(d) (32. 4. 3. 4)格子、(e) (3. 4. 6. 4)格子、(f) (4. 6. 12)格子、 (g) (3. 122)格子、(h) (3. 63. 6)格子、⑴(44)格子、(j) (36)格子、(k) (63)格子·图2散射体截面为圆形的阿基米德格子排列示意图，(a)(34.6)格子、(b) (3. 4. 6. 4)格子、(c) (32. 4. 3. 4)格子、(d) (33. 42)格子、(e) (42. 8)格子、(f) (4. 6. 12)格子、 (g) (3. 122)格子·图34种散射体不同截面示意图；(a)、工字形，(b)、十字形，(c)、角形，(d)、U形。图4(a)、(3. 6. 3. 6)格子菱形管声带隙结构，图4(b)、(33. 42)格子方管声带隙结 构，图4((c)、蜂窝晶格十字形声带隙结构，图4((d)、(42. 8)格子六边形管声带隙结构，图 4((e)、(32· 4. 3. 4)格子圆管声带隙结构，图4((f)、(3. 122)格子三角形管声带隙结构。图5(a) 二维(32.4.3.4)格子钢性圆柱散射体截面示意图和第一布里渊区，图 5(b)、图5(c)分别是二维(32. 4. 3.4)格子钢/空气声带隙结构的能带结构和在人耳可听 频率范围的带隙分布。图6 (a) 二维(42. 8)格子钢性圆柱散射体截面示意图和第一布里渊区，图6 (b)、图6(c)分别是二维(42. 8)格子钢/空气声带隙结构的能带结构和在人耳可听频率范围的带 隙分布。图7 (a)钢性圆柱散射体截面示意图和第一布里渊区，图7 (b)、图7 (c)分别是二维 (34. 6)格子钢/空气声带隙结构的能带结构和在人耳可听频率范围的带隙分布。
具体实施方式
二维阿基米德格子声带隙结构，包括散射体和基体，所述散射体由由相互平行的 刚性柱按晶格排列而成；其特征在于所述晶格类型为二维(34. 6)、(3. 4. 6. 4)、(4. 6. 122)、 (42. 8)、(32. 4. 3. 4)、(33. 42)或(3. 122)晶格；刚性柱的截面形状是圆柱形、方管、菱形管、六 边形管、三角形管、十字形、工字形、U形或角形刚性柱为实心或空心。参见图1，11种二维阿基米德格子是周期结构，包括二维布拉伐格子中正方晶格 (44)和三角晶格(36)。另外，(63)格子是蜂窝晶格，(32.4.3.4)、(42· 8)格子也分别叫做 Ladybug 晶H·禾口 Bathroom 晶Μ。图2，散射体截面是圆形的二维阿基米德格子声子晶体示意图。图3，4种不同散射体截面形状分别为参见图4，六种不同散射体截面形状的二维声带隙结构。参见图5，二维(32.4.3.4)格子钢/空气声带隙结构是由直径160mm钢性圆柱(实 心或空心)按(32. 4. 3. 4)格子周期排列空气中组成，其中最近相邻两个钢性圆柱的中心距 离为165mm。这种声带隙结构存在0. 97 1. 872kHz较宽带隙和2. 275 2. 672kHz的宽带隙。参见图6，二维(42. 8)格子钢/空气声带隙结构是由直径160mm钢性圆柱(实心 或空心)按(42.8)格子周期排列空气中组成，其中最近相邻两个钢性圆柱的中心距离为 165mm。(42. 8)格子声带隙结构产生三个0. 217 0. 389kHz,0. 43 0. 661kHz和0. 705 1. OllkHz宽低频带隙，也能够出现1. 12 1. 304kHz与1. 529 1. 718kHz高频宽带隙。图 (a)钢性圆柱散射体截面示意图和第一布里渊区，图(b)、(c)分别是二维(42.8)格子钢/ 空气声带隙结构的能带结构和在人耳可听频率范围的带隙分布。参见图7，二维(34. 6)格子钢/空气声带隙结构是由直径160mm钢性圆柱(实心 或空心)按(34.6)格子周期排列空气中组成，其中最近相邻两个钢性圆柱的中心距离为 165mm。该声带隙结构能够存在产生0. 252 0. 503kHz、宽低频带隙和0. 998 1. 344kHz 高频宽带隙。图(a)钢性圆柱散射体截面示意图和第一布里渊区，图(b)、(c)分别是二维 (34. 6)格子钢/空气声带隙结构的能带结构和在人耳可听频率范围的带隙分布。
权利要求1.二维阿基米德格子声带隙结构，包括散射体和基体，所述散射体由相互平行的刚 性柱按晶格排列而成；其特征在于所述晶格类型为二维(34. 6)、(3. 4. 6. 4)、(4. 6. 122)、 (42. 8)、(32. 4. 3. 4)、(33. 42)或(3. 122)晶格；刚性柱的截面形状是圆柱形、方管、菱形管、六 边形管、三角形管、十字形、工字形、U形或角形。
2.根据权利要求1所述的二维阿基米德格子声带隙结构，其特征在于刚性柱为实心 或空心。
专利摘要本实用新型提出了属于凝聚态物理，涉及了机械、声学、力学和结构学等领域。二维阿基米德格子声带隙结构，包括散射体和基体，所述散射体由由相互平行的刚性柱按晶格排列而成；其特征在于所述晶格类型为二维(34.6)、(3.4.6.4)、(4.6.122)、(42.8)、(32.4.3.4)、(33.42)或(3.122)晶格；刚性柱的截面形状是圆柱形、方管、菱形管、六边形管、三角形管、十字形、工字形、U形或角形；刚性柱为实心或空心。本实用新型可能在声波的负折射、声波的聚焦、自准直效应、减振和降噪等领域有着新的物理特性；本实用新型提出了二维(32.4.3.4)、(42.8)和(34.6)格子钢/空气声带隙结构，在人可听低频和高频率范围内能够很好的抑制噪声，并且和声波入射方向几乎无关，应用于高速公路、铁路、城市交通的声屏障。
文档编号G10K11/16GK201780774SQ20102000407
公开日2011年3月30日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者何存富, 吴斌, 赵寰宇, 魏瑞菊 申请人:北京工业大学