一种具有多重带隙特性的三维梯度周期结构板的制作方法

本实用新型涉及一种周期结构，特别是涉及一种具有多重带隙特性的三维梯度周期结构板。

背景技术：

周期结构板是一种空间有限的声子晶体，声子晶体的概念是由光子晶体概念演绎而来，两者都是模拟天然晶体原子的排列方式，具有某种周期性结构。由两种或两种以上不同弹性性质的介质在空间周期性嵌套而成、且存在弹性波带隙的复合材料或结构称为声子晶体。存在弹性波带隙是声子晶体最重要的一个特性，产生弹性波带隙的物理机理主要有两种：布拉格散射机理和局域共振机理。这两种带隙的形成都是由于结构周期性和单散射体的mie散射共同作用的结果，区别仅仅在于是各重复单元的相互作用(周期性)起主导作用，还是单个散射体的共振起主导作用。

周期结构板的带隙特性可以实现减振降噪。可以从抑制振源强度、隔振、消振三个方面达到减振降噪的目的。通过借鉴声子晶体的周期性改进振动源的设计，可以得到一种具有带隙特性的振源。在隔振方面，可以利用声子晶体结构的隔振器进行主动隔振或被动隔振，以此实现振动的有效抑制甚至隔离。采用局域共振型声子晶体的物理机制，通过在梁板类结构上附加周期性振子结构，吸收振动系统的动能。减振降噪对于高精密机械加工有重要意义，可以为高精密机械加工系统提供无振动加工环境，保证较高的加工精度；也可以为仪器设备提供没有振动的工作环境，从而提高工作时的精度，延长它们的使用寿命。

局域共振声子晶体的主要不足之处在于工作频率只能位于一个较窄的范围内。为了克服这一不足，我们可以构造由多组带短柱的声子晶体板组成的三维结构。这种结构的灵活性使得我们可以通过调节几何特性来制备具有预期功能的更为复杂的结构，每一层可以工作在不同的频率范围，因而整个局域共振声子晶体的工作频率范围就被大大拓宽了。

技术实现要素：

技术问题：本实用新型的目的是提供一种具有多重带隙特性的三维梯度周期结构板。通过将多层声子晶体板堆叠起来，并沿着高度方向改变每层凸起散射体的几何尺寸，组成的三维周期结构板就具有多重带隙特性，扩展了带隙的宽度。在带隙频率范围内的振动形式不能通过该周期结构板，因此可应用于减振隔振领域。

技术方案：本实用新型是一种具有多重带隙特性的三维梯度周期结构板，该三维梯度周期结构板包括多层板基体以及按照周期性或者拟周期性排列在所述多层板基体中凸起设置的m行n列的短柱散射体，由带有短柱散射体的多层周期结构板堆叠成三维周期结构板。

其中：

所述凸起的短柱散射体的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；组成周期结构的最小的重复单元叫做单胞，各单胞之间的排列形状是三角形或其他多边形。

所述短柱散射体，其同层的材料、高度和排列形式相同，半径或边长相同或在行或者列方向按照某一函数规律逐渐变化。

所述板基体，不同层的板基体的厚度相同或以沿高度方向每层依次变化；层与层之间凸起的短柱散射体的高度、半径或者边长逐渐变化，按照线性变化或幂指数变化；不同层短柱散射体的材料和排列方式相同或不相同。

所述板基体，其材料是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料，短柱散射体的材料是橡胶或者环氧树脂。

所述板基体顶面与短柱散射体以及短柱散射体与板基体底面之间采用粘贴或者焊接的连接方式。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：

1)该周期结构板可以用于减振降噪，利用声子晶体的带隙特性可以阻止特定频率范围内弹性波或声波的传播，达到减振降噪的目的。

2)传统的弹性波或声波校准元件尺寸大且造价高，与传统的隔音材料相比，周期结构板具有频率可设计、针对性强、尺寸小、效果好等优点。同时制作方便，便于标准化生产。

3)传统的周期结构工作频率一般只能位于一个较窄的范围内，而多层三维周期结构每一层都可以工作在不同的频率范围，因而整个三维周期结构板的工作频率范围就被大大拓宽了，通过这种方式可以获得更宽的三维带隙。

附图说明

图1a为本实用新型底层往上短柱高度逐渐变小的三维梯度周期板结构图；

图1b为本实用新型底层往上短柱半径逐渐变小的三维梯度周期板结构图；

图1c为本实用新型底层往上短柱半径和高度均逐渐变小的三维梯度周期板结构图；

图1d为本实用新型同层短柱在列方向上短柱半径逐渐变大同时底层往上短柱高度逐渐变小的三维梯度周期板结构图；

图2为本实用新型三维梯度周期结构板的爆炸图；

图3为本实用新型周期板的单胞的结构图；

图4为本实用新型各单胞之间按照正三角形排列的周期结构板的俯视图；

图5为本实用新型凸起的散射体为正方形短柱的三维周期板结构图；

图6为本实用新型三维梯度周期结构板的传输特性曲线图；

图中有：板基体1、短柱散射体2。

具体实施方式

本实用新型的形成方法如下：

m行n列的短柱按照周期性或者拟周期性排列凸起设置在基体板上；凸起的短柱可以是圆柱，长方体或者多边体。周期结构最小的重复单元称为单胞，各单胞之间的排列方式可以是正方形，三角形或其他多边形。短柱的材料可以是橡胶或者环氧树脂，基体板的材料可以是金属、混凝土、陶瓷或纤维增强复合材料。短柱和基体板之间可以采用焊接或者粘贴的方式进行连接。

同层的材料、高度和排列形式相同，半径或边长相同或在行或者列方向按照某一函数规律逐渐变化。再根据需要设置h层的周期结构板，不同层的周期结构板的凸起短柱的边长、半径或者高度逐渐变化。不同层凸起短柱的材料和排列方式可以相同也可以不同。并且不同层的周期结构板之间通过焊接或者粘贴的方式进行连接，由此形成带有多重带隙的三维周期结构板。

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步详细说明：

周期结构，又称声子晶体，其中相互不相邻的部分称为散射体，相互连接的部分称为基体。其中一维声子晶体是由两种材料交替排列构成的层状或杆状结构；二维声子晶体是由柱状散射体平行排列在基体之中构成的二维周期结构，其中柱状散射体的截面主要有圆形、正方形等，排列方式有正方形、三角形等；三维声子晶体是由球状散射体周期排列在基体之中形成的三维空间点阵结构，结构形式有简单立方结构、面心立方结构、体心立方结构等。本实用新型介绍的就是二维周期结构。散射体的中心到相邻散射体中心的距离称为晶格常数。

理想的周期结构模型一般认为在非周期性方向也具有无限尺寸，这种假设只有在入射波长远小于非周期方向尺寸时才合理。由于固体材料中弹性波传播速度很快，实际工程中广泛使用的梁板等结构均不满足这一要求，因此非周期方向为有限尺寸的周期结构更有实际意义。

声子晶体概念的提出为解决振动和噪声问题提供了一种新思路。声子晶体是一种具有弹性波带隙特性的人工周期材料，在带隙频率范围内的振动形式不能通过声子晶体，因此可应用于减振隔振领域。与传统的主动、被动隔振相比，声子晶体结构可实现结构与隔振系统的一体化设计，并且具有质量轻、隔振频率宽、可靠性高等优点，在工程隔振领域具有广泛的应用前景。

实施例1：

如图1a、2、3所示，本实施例为一种具有多重带隙特性的三维梯度周期结构板。单胞之间采用正方形排列，晶格常数设置为a1，每层板上凸起设置m排n列的圆柱形短柱，同一层的短柱材料、大小、排列方式都相同。设置h层的三维周期结构板，从底层至顶层短柱的高度从h1按某一函数规律变化至h2。多层周期结构板通过焊接或者粘贴的方式连接在一起，形成三维梯度周期结构板。

实施例2：

如图1b、2、3所示，本实施例为一种具有多重带隙特性的三维梯度周期结构板。单胞之间采用正方形排列，晶格常数设置为a1，每层板上凸起设置m排n列的圆柱形短柱，同一层的短柱材料、大小、排列方式都相同。设置h层的三维周期结构板，从底层至顶层短柱的半径从r1按某一函数规律变化至r2。多层周期结构板通过焊接或者粘贴的方式连接在一起，形成三维梯度周期结构板。

实施例3：

如图1c、2、3所示，本实施例为一种具有多重带隙特性的三维梯度周期结构板。单胞之间采用正方形排列，晶格常数设置为a1，每层板上凸起设置m排n列的圆柱形短柱，同一层的短柱材料、大小、排列方式都相同。设置h层的三维周期结构板，从底层至顶层短柱的半径从r1按某一函数规律变化至r2，高度从h1按某一函数规律变化至h2。多层周期结构板通过焊接或者粘贴的方式连接在一起，形成三维梯度周期结构板。

实施例4：

如图3、4所示，本实施例的三维梯度周期结构板单胞之间采用正三角形排列，晶格常数设置为a1，每层板上凸起设置m排n列的圆柱形短柱，同一层的短柱材料、大小、排列方式都相同。设置h层的三维周期结构板，从底层至顶层短柱的高度从h1按某一函数规律变化至h2。多层周期结构板通过焊接或者粘贴的方式连接在一起，形成三维梯度周期结构板。

实施例5：

如图3、5所示，本实施例的三维梯度周期结构板单胞之间采用正方形排列，晶格常数设置为a1，每层板上凸起设置m排n列的长方体短柱，同一层的短柱材料、大小、排列方式都相同。设置h层的三维周期结构板，从底层至顶层短柱的高度从h1按某一函数规律变化至h2。多层周期结构板通过焊接或者粘贴的方式连接在一起，形成三维梯度周期结构板。

如图6所示，为本实用新型三维梯度周期结构板的传输特性曲线图。采用的计算公式为幅频响应函数p1为入射端或激励端的物理量，p2为出射端或响应端的物理量。理论上响应函数小于0对应的频率范围内入射的弹性波的传播均能得到衰减。

每层局域共振周期结构板的主要不足之处在于工作频率只能位于一个较窄的范围内。为了克服这一不足，构造出了由多组带短柱的声子晶体板组成的三维结构。这种结构的灵活性使得我们可以通过调节几何特性来制备具有预期功能的更为复杂的结构，每一层可以工作在不同的频率范围，因而整个局域共振声子晶体的工作频率范围就被大大拓宽了。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。