一种低频超宽带隙瓣型局域共振声学超材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体为一种低频超宽带隙瓣型局域共振声学超材料。
【背景技术】
[0002]近50年来，随着国家高速列车、航空航天、大型输变电工程等的快速发展，噪声问题一方面影响着各领域自生的快速发展，另一方面还干扰者人们的正常工作和生活。现有的噪声控制材料一般都是传统的混凝土墙、钢板等被动控制结构或是安装操作复杂的主动控制设备。这些噪声控制技术能够有效控制500Hz以上的中高频噪声，而对500Hz以下的低频声波只有微弱的衰减能力。低频噪声由于其波长大、传播距离远、透射能力强等特点，其控制技术一直是噪声控制的一个难点。
[0003]近年来研究者们研究了一种新型的低频隔声材料一声学超材料，通过毫米级尺寸的结构控制大波长的低频声波。2000年，刘正猷等人提出了基于局域共振机理的局域共振单元，其设计的声学结构可以控制波长大于晶格尺寸两个数量级的声波。2012年沈平等人申请的专利(申请号为201210490610.5)提出了具有局域共振特性的二维二组元膜型暗声学超材料，可以较大范围的吸收低频声波。同年，美国M.Badreddine等人提出了双侧附有硅胶柱的板型声学超材料，拓宽了声学超材料的带隙范围。2013年吴健等人申请的专利(申请号为201310513807.0)研究了具有不同质量配重的复合元胞结构的声学超材料，通过调节配重位置和质量实现较宽带隙范围。同年，美国Osama R等研究了带孔跳板型声学超材料，有效拓宽了相对带隙范围，最高达到60%。2014年吴九汇和马富银等人申请的专利(申请号为201410235514.5)利用轻质EVA和硅胶两种材料制备了轻质二组元声学超材料，在200Hz范围有宽度为73Hz的低频带隙。
[0004]上述声学超材料结构在一定频率范围内都可以产生禁带，但是这些声学超材料结构由一层结构一种元胞组成的隔声装置带隙并不是很宽，相对带隙(Af/fc)也不理想，对带隙的拓宽也是通过多层结构堆叠或是改变元胞组成元素从而形成复合元胞达到的。另一方面，有些结构中用到的弹性薄膜是需要提前施加张力使其产生应力才可以产生预期效果的，这种张力施加一般较难控制和调节，这样就加大了结构布置的难度，材料的声学稳定性也受到影响，从而降低了声学超材料作为一种新型高效控制低频噪声的新材料优势。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供了一种低频超宽带隙瓣型局域共振声学超材料结构，通过由一种元胞组成的单层结构实现超宽带隙和大的相对带隙的目标。
[0006]本发明的技术方案是:一种低频超宽带隙瓣型局域共振声学超材料，包括田字支架、弹性薄膜、半球和若干对瓣形结构；
[0007]所述田字支架由正方形框架延X方向和y方向周期性延拓而成；
[0008]所述弹性薄膜粘接在所述正方形框架上方；
[0009]所述半球分别对应所述正方形框架呈周期性的黏贴在所述弹性薄膜上方；
[0010]所述瓣形结构几何尺寸相同，围绕所述半球四周对称分布并固定于所述弹性薄膜上;
[0011]所述正方形框架以及与其对应的在其上方的所述弹性薄膜、所述半球和所述瓣形结构构成元胞，所述元胞为所述局域共振声学超材料的最小单元。
[0012]上述方案中，每个元胞的所述瓣形结构的数量为两对，两对所述瓣形结构互成直角对称分布在所述半球四周。
[0013]上述方案中，所述正方形框架由硬质塑料或硬质轻型复合材料制成。
[0014]进一步的，所述正方形框架的边长即晶格常数a为9-14mm、高度h为0.8-1.0mm、厚度 t 为 0.75-0.90mm。
[0015]上述方案中，所述弹性薄膜和所述瓣形结构均是由硅橡胶制成。
[0016]进一步的，所述弹性薄膜的厚度b为0.4-0.7_。
[0017]上述方案中，所述瓣形结构的厚度e为0.25-0.35mm。
[0018]上述方案中，所述半球由钨制成。
[0019]进一步的，所述半球的半径为R为2.6-3.4mm。
[0020]上述方案中，所述元胞几何尺寸为:a = 9mm，R = 3.4mm, b = 0.6mm，h = 1mm，t =0.75mm, e = 0.25mm0
[0021]本发明的优点是:
[0022]1、本发明所述声学超材料结构通过所述瓣形结构的设计，以及在所述元胞中各结构几何尺寸相互匹配:b = 0.6mm，a = 9mm，R = 3.4mm，h = 1mm，t = 0.75mm，e = 0.25mm下，达到最佳效果，在400Hz的低频范围内有宽度为254Hz的完全带隙，在100Hz以下还有宽度为15Hz左右的弯曲波带隙，增大了噪声控制的应用范围；
[0023]2、本发明所述声学超材料在低频范围内相对带隙高达84%，较大的提高了带隙范围占作用频率总范围的比例；
[0024]3、本发明所述声学超材料单层结构同种元胞就可以有较宽的带隙，无需多种元胞组合或堆叠，不需要改变配重块的几何尺寸或材料属性，降低了结构布置难度，提升了结构的声学稳定性；
[0025]4、本发明所述声学超材料结构尺寸均处于毫米级，所述弹性薄膜厚度不超过
0.7mm，所述声学超材料结构总厚度不超过5mm，满足薄层结构要求；
[0026]5、本发明所述弹性薄膜不需要提前施加张力来使其产生应力，进一步降低了结构布置难度，提升了结构的声学稳定性；
[0027]6、本发明所述声学超材料结构可以形成多个较宽的完全带隙，在带隙范围内可以阻隔波长比其结构尺寸大两个数量级的低频声波。
【附图说明】
[0028]图1(a)为本发明一实施例的声学超材料结构的元胞结构示意图；
[0029]图1(b)为本发明一实施例的声学超材料结构的半球结构示意图；
[0030]图1(c)为本发明一实施例的声学超材料结构的瓣形结构示意图；
[0031]图1(d)为本发明一实施例的声学超材料结构的弹性薄膜结构示意图；
[0032]图1 (e)为本发明一实施例的声学超材料结构的正方形框架结构示意图；
[0033]图1(f)为本发明一实施例的声学超材料结构的无瓣元胞结构示意图；
[0034]图1(g)为本发明一实施例的声学超材料结构的元胞阵列正面结构示意图；
[0035]图1(h)为本发明一实施例的声学超材料结构的元胞阵列反面结构示意图；
[0036]图2(a)为本发明一实施例的元胞能带图；
[0037]图2(b)为本发明一实施例的无瓣元胞能带图；
[0038]图3 (a)为本发明一实施例的固有频率62Hz对应的模态；
[0039]图3 (b)为本发明一实施例的固有频率76Hz对应的模态；
[0040]图3 (c)为本发明一实施例的固有频率146Hz对应模态；
[0041]图3 (d)为本发明一实施例的固有频率332Hz对应的模态；
[0042]图4(a)为本发明一实施例的带隙特性随弹性薄膜厚度变化的趋势示意图；
[0043]图4(b)为本发明一实施例的带隙特性随半球半径变化的趋势示意图；
[0044]图4(c)为本发明一实施例的带隙特性随晶格常数变化的趋势示意图。
[0045]图中，1、半球；2、瓣形结构；3、弹性薄膜；4、正方形框架；5、田字支架；6、第一带隙；7、第二完全带隙；8、第三完全带隙；9、无瓣结构带隙。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0047]图1所示为本发明所述低频超宽带隙瓣型局域共振声学超材料的一种实施方式，本发明借鉴了向内弯曲的花瓣受到外力时产生较大的弹性曲率能量从而减小花朵振动进而保护花蕊的机理。图1(a)是所述声学超材料结构的元胞结构示意图，所述元胞包括半球
1、若干对瓣形结构2、弹性薄膜3和正方形框架4，分别如图1 (b)、图1 (c)、图1 (d)、图1 (e)所示。所述弹性薄膜3粘接在所述正方形框架4上方；所述半球1黏贴在所述弹性薄膜3上方；每个所述元胞的瓣形结构2的数量优选地为两对，两对所述瓣形结构2的几何尺寸相同，互成直角对称分布在所述半球1四周，并固定于所述弹性薄膜3上，具体的所述瓣形结构2下部成楔子状与所述半球1的面和所述弹性薄膜3的面紧密贴合后再粘贴固定；所述元胞为隔声装置中阻隔低频噪声的最小声学超材料单元。
[0048]图1 (g)是所述声学超材料结构的元胞阵列正面结构示意图，图1 (h)所述声学超材料结构的元胞阵列背面结构示意图。图中田字支架5由所述正方形框架4延X方向和y方向周期性延拓而成，起着固定支撑的作用，提供局域化刚度，使得其上的质量块有振动的空间；中间的所述弹性薄膜3相当于“弹簧-质量”系统中的弹簧，提供局域化振动的弹性；所述半球1和所述瓣形结构2相当于质量块，提供局域化振动的质量。所述半球1采用钨制成；所述瓣形结构2和所述弹性薄膜3采用硅橡胶制成；所述正方形框架4采用硬质塑料或硬质轻型复合材料制成。材料参数为:娃胶密度Pi= 1300kg/m3，弹性模量Ε:=0.1175MPa，泊松比ν 1= 0.469 ;硬质塑料密度P 2= 1190kg/m3，弹性模量E2= 2.2GPa，泊松比 v 2= 0.375 ;钨密度 P 3= 17800kg/m3，弹性模量 E3= 360GPa，泊松比 ν 3= 0.27。所述半球1的半径为R，所述弹性薄膜3的厚度为b，所述正方形框架4的边长即晶格常数为a，高度为h，厚度为t，所述瓣形结构厚度为e。
[0049]图2所示为本发明利用有限元软件C0MS0L MULTIPHYSICS 4.3对所述元胞的整个不可约布里渊(Brillouin)区边界Γ-X-M-Γ进行扫描得到所述元胞的能带图，所述元胞四周的边界均设置为Bloch周期性边界条件，其他边界为自由边界。图2 (a)对应本发明所述元胞的能带结构，所述元胞的尺寸:a = 10mm, b = 0.6mm, R = 3.4mm, h = 1mm, t =0.75mm，e = 0.25mm ;图 2 (b)对应相同尺寸:a = 10mm，b = 0.6mm，R = 3.4mm，h = 1mm，t=0.75mm下无瓣形结构元胞能带图。
[0050]从图2(a)中可以看到有三条完全带隙:包