专利名称：一种含非凸型截面孔的声子功能材料结构及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含非凸型截面孔的声子功能材料结构及制作方法，属于凝聚态物 理，涉及了机械、声学、力学和材料学等领域。
背景技术：
对于航空、航天等方面的在役高精密仪器来说，其对加工精度和工作精度的要求 都很高。一方面，需要为高精密加工系统提供一定频率范围内的无振动加工环境，保证较高 的加工精度要求；另一方面，要为特殊仪器或设备提供一定频率范围内的无振动工作环境， 提高工作精度和可靠性，同时延长其工作寿命。因此，如何获得特定频率范围内的无振动环 境成为频率控制工作者面临的一项关键性课题。近年来，一种人造周期性复合结构-声子晶体受到人们的广泛关注。其中传播的 弹性波由于受到弹性常数的周期性调制，可能会产生声子带隙，即一定频率范围的弹性波 传播被抑制。声子晶体的这种声学特性使得其具有广泛的应用前景，例如用于环境的减震 降噪、制作新的声滤波器、频率分离器，耦合器、声波导等。因此，声子晶体已成为材料学、物 理学、声学、力学及其它相关学科活跃的研究领域之一。声子带隙的存在是声子晶体广泛应用的基础，这就要求人们了解声子晶体带隙的 调制机理。研究表明，声子晶体带隙主要受材料参数和结构几何参数的影响，其中丰富的几 何参数为我们设计各种各样的声子晶体提供了可能。对于由周期性排列的孔(真空或填充 空气)组成的声子晶体，其带隙特性主要由结构几何参数来决定，因为制作简单而备受关 注。大量科技工作者对该类声子晶体进行了研究，但主要考虑凸截面型孔的情况，并且要获 得较宽的声学带隙需要较大的孔隙率。
发明内容
为了克服现有结构在既定孔隙率下不能声学特性要求的不足，本发明的目的在于 提供一种含非凸型截面孔的新型声子功能材料结构及制作方法。该结构在既定孔隙率下， 不但能满足结构声学特性的要求，达到隔音减振的效果，而且能获得较宽的声学带隙。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是—种含非凸型截面孔的新型声子功能材料结构，由非凸型截面孔周期性排列组成。非凸型截面孔在结构周期方向呈密排形式排列。非凸型截面孔的面积由结构声学特性来确定，以获得较宽的声学带隙为标准确定其具体尺寸。一种含非凸型截面孔的新型声子功能材料结构的制作方法，含有以下步骤根据结构声学特性的要求，确定合适的晶格常数；在此基础上，根据结构要求的孔 隙率，计算非凸型截面的尺寸；调整非凸型截面孔的对称性，使其在结构周期方向上呈密排 结构，从而达到获得较宽声学带隙的声子功能材料结构。
具体还包括以下步骤步骤1 ；晶格常数的确定实际结构要求在一定声学频率范围内具有禁带效应，但 由于结果的无量纲化，声学频率fa。。usti。与晶格常数a呈反比关系，即fa。。usti。= ΩΧ0 /Β(Ω 为无量纲的约化频率或简约频率)，故晶格常数的确定应以满足结构要求的声学特性为标 准；Ct为基体中横波波速；步骤2 ；非凸型截面孔尺寸的确定记结构的孔隙率为f，非凸型截面孔的截面积 为K,声子功能材料一个原胞的面积为A，则As = C2- (c-b)2，A = a2，f = KJk = (c2- (c_b)2) / a2 = (2bc_b2)/a2，其中b和c为孔截面尺寸；根据结构要求的孔隙率f和步骤1确定的晶 格常数a，并利用上述公式，得到孔截面尺寸b和c的关系，通过调整b和c的大小改变孔的 凸凹特性；此为使结构获得较宽声学带隙的一个充分条件；步骤3 ；结构对称性的设计对于步骤2确定的非凸型截面孔，通过旋转操作来调 整孔的对称轴方向，使孔在结构周期方向呈密排形式分布，即使任意相邻的孔在结构周期 方向的距离最小；步骤4 ；新型声子功能材料结构的制作根据步骤2确定的孔截面尺寸和步骤3设 计的结构对称性，在要求的基体材料上凿孔；非凸型截面孔按正方晶格并呈密排形式分布， 相邻孔截面形心距离为a ；步骤5 ；对于不同的结构对声学特性的要求，确定合适的晶格常数；之后，重复步 骤2，根据结构孔隙率(f <0. 5)的要求，确定该非凸型截面孔的尺寸；接着完全重复步骤3 和4，进行结构对称性的设计和材料结构的制作，即可得到满足该要求的新型声子功能材料 结构。本发明的有益效果是，在满足结构声学特性要求的同时，获得较宽的声学带隙，结 构中仅含周期性分布的非凸型截面孔，加工简单。
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以 及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解， 构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发 明的不当限定，其中图1是本发明的原理图。图2是非凸型截面孔的示意图。图3是含非凸型截面孔新型声子功能材料的一个原胞的示意图。图4是含非凸型截面孔新型声子功能材料的构造图。图5是第一个实施例的能带结构图(凸型截面孔)。图6是第一个实施例的能带结构图(非凸型截面孔)。图7是第二个实施例的能带结构图(凸型截面孔)。图8是第二个实施例的能带结构图(非凸型截面孔)。
具体实施例方式参照图1至图8对本发明的实施例进行说明。显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保 护范围。实施例1 含非凸型截面孔的新型声子功能材料结构的制作方法，其特征是具体还包括以下 步骤步骤1 ；晶格常数的确定在声子功能材料能带结构图中，横坐标为波矢，纵坐标 为频率；通常使用基体中波长等于晶格常数的波所对应的频率(ct/a，ct为基体中横波波 速，a为图3所示正方排列声子功能材料的晶格常数，即图4所示声子功能材料原胞的边 长)作为基准对本征频率(Hz)的具体值进行简约化，得到无量纲的约化频率或简约频率 (记为Ω)，这就使得计算结果与具体的晶格常数无关。实际结构要求在一定声学频率范 围内具有禁带效应，但由于结果的无量纲化，声学频率fa。。usti。与晶格常数a呈反比关系，即 facoustic = Ω X ct/a，故晶格常数的确定应以满足结构要求的声学特性为标准。步骤2 ；非凸型截面孔尺寸的确定记结构的孔隙率为f，非凸型截面孔的截面积 为K,声子功能材料一个原胞的面积为A，则As = C2- (C-b)2，A = a2，f = KJk = (c2- (c_b)2) / a2 = (2bc_b2)/a2，其中b和c为图2所示的孔截面尺寸。根据结构要求的孔隙率f和步骤 1确定的晶格常数a，并利用上述公式，可以得到孔截面尺寸b和c的关系，通过调整b和c 的大小改变孔的凸凹特性。此为使结构获得较宽声学带隙的一个充分条件。步骤3 ；结构对称性的设计对于步骤2确定的非凸型截面孔，通过旋转操作来调 整孔的对称轴方向，如图4所示。这样可使孔在结构周期方向呈密排形式分布，即使任意相 邻的孔在结构周期方向的距离最小。此为使结构获得较宽声学带隙的又一充分条件。步骤4 ；新型声子功能材料结构的制作根据步骤2确定的孔截面尺寸和步骤3设 计的结构对称性，在要求的基体材料上凿孔。非凸型截面孔按正方晶格并呈密排形式分布， 相邻孔截面形心距离为a。步骤5 ；方法的适用性对于不同的结构对声学特性的要求，确定合适的晶格常 数。之后，重复步骤2的工作，根据结构孔隙率(f<0.5)的要求，确定该非凸型截面孔的 尺寸。接着完全重复步骤3和4中的工作，进行结构对称性的设计和材料结构的制作，即可 得到满足该要求的新型声子功能材料结构。实施例2 在图1中，确定结构的晶格常数时，要满足对结构声学特性的要求；孔截面示意图 如图2所示，根据要求的孔隙率和确定的晶格常数，确定孔截面尺寸的关系，通过调整孔截 面尺寸的大小和结构的对称性，形成如图3所示的含非凸型截面孔的新型声子功能材料结 构，此时要满足孔在结构周期方向呈密排形式排列，图4所示为图3的原胞示意图。在图5、图6所示的实施例中，孔隙率为0.3675，左图为凸型截面孔，右图为非凸型 截面孔。图中横坐标为简约波矢量，纵坐标为简约频率，阴影部分表示完全声学带隙(即该 频率范围内的声波在结构中的传播被抑制)。对于凸型截面孔，结构无带隙产生。对于非 凸型截面孔，结构产生了两个完全带隙，带宽分别为Δ Co1 = 0.3(a/ct)和Δ ω2 = 0. 12 (a/
Ct)。
在图7、图8所示的实施例中，孔隙率为0.45，左图为凸型截面孔，右图为非凸型截 面孔。对于凸型截面孔，结构产生一个完全带隙，带宽为Δω =0. l(a/ct)。对于非凸型截 面孔，有两个完全带隙产生，带宽分别为Δ CO1 = 0. 29(a/ct)和Δ ω2 = 0. ll(a/ct)。由以上两个实施例可以看出，在孔隙率相同的情况下，非凸型截面孔的引入使结 构的使最低带隙的下边界下移，从而使结构获得较宽的声学带隙。如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发 明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这 样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种含非凸型截面孔的声子功能材料结构的制作方法，其特征是含有以下步骤根据结构声学特性的要求，确定合适的晶格常数；在此基础上，根据结构要求的孔隙率，计算非凸型截面的尺寸；调整非凸型截面孔的对称性，使其在结构周期方向上呈密排结构，从而达到获得较宽声学带隙的声子功能材料结构。
2.根据权利要求1所述的含非凸型截面孔的声子功能材料结构的制作方法，其特征是 还包括以下步骤步骤1 ；晶格常数的确定实际结构要求在一定声学频率范围内具有禁带效应，但由于 结果的无量纲化，声学频率facustic与晶格常数a呈反比关系，即facustic= Ω×cl/Β(Ω为 无量纲的约化频率或简约频率)，故晶格常数的确定应以满足结构要求的声学特性为标准； Ct为基体中横波波速；步骤2 ；非凸型截面孔尺寸的确定记结构的孔隙率为f，非凸型截面孔的截面积为K’ 声子功能材料一个原胞的面积为 A，则 As = c2-(c-b)2, A = a2, f = As/A = (c2-(c-b)2)/a2 =(2bc_b2)/a2，其中b和c为孔截面尺寸；根据结构要求的孔隙率f和步骤1确定的晶格 常数a，并利用上述公式，得到孔截面尺寸b和c的关系，通过调整b和c的大小改变孔的凸 凹特性；此为使结构获得较宽声学带隙的一个充分条件；步骤3 ；结构对称性的设计对于步骤2确定的非凸型截面孔，通过旋转操作来调整孔 的对称轴方向，使孔在结构周期方向呈密排形式分布，即使任意相邻的孔在结构周期方向 的距离最小；步骤4 ；新型声子功能材料结构的制作根据步骤2确定的孔截面尺寸和步骤3设计的 结构对称性，在要求的基体材料上凿孔；非凸型截面孔按正方晶格并呈密排形式分布，相邻 孔截面形心距离为a ；步骤5 ；对于不同的结构对声学特性的要求，确定合适的晶格常数；之后，重复步骤2， 根据结构孔隙率(f <0. 5)的要求，确定该非凸型截面孔的尺寸；接着完全重复步骤3和4， 进行结构对称性的设计和材料结构的制作，即可得到满足该要求的声子功能材料结构。
3.根据权利要求1或2所述的方法制作的声子功能材料结构，其特征是非凸型截面 孔在结构周期方向呈密排形式排列。
4.根据权利要求1或2所述的方法制作的声子功能材料结构，其特征是由非凸型截 面孔周期性排列组成。
5.根据权利要求1或2所述的方法制作的声子功能材料结构，其特征是非凸型截面 孔的面积由结构声学特性来确定，以获得较宽的声学带隙为标准确定其具体尺寸。
全文摘要
本发明公开了一种含非凸型截面孔的声子功能材料结构及制作方法。根据结构声学特性的要求，确定合适的晶格常数；在此基础上，根据结构要求的孔隙率，计算非凸型截面的尺寸；调整非凸型截面孔的对称性，使其在结构周期方向上呈密排结构，从而达到获得较宽声学带隙的声子功能材料结构。声子功能材料结构由周期性排列的非凸型截面孔组成。它是在确定结构孔隙率的情况下，引入非凸型截面孔；通过设计孔的尺寸和对称性，使结构获得较宽的声学带隙。本发明的有益效果是，在满足结构声学特性要求的同时，获得较宽的声学带隙，结构中仅含周期性分布的非凸型截面孔，加工简单。
文档编号G10K11/16GK101989422SQ20101053798
公开日2011年3月23日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者汪越胜, 王艳锋 申请人:北京交通大学