一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴的制作方法

本发明属于功能材料
技术领域：
，特别涉及一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴。
背景技术：
：声子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控弹性波的传输，落在带隙频率内弹性波的禁止传播。声子晶体已经广泛地应用于隔离噪声和振动，机械滤波器和导波管中。目前，声子晶体存在两种截然不同的禁带机制，即布拉格带隙机制和和局域共振型机制。布拉格带隙机理中声子晶体晶格常数与基体材料的禁带波长同数量级，这就限制了声子晶体晶格尺寸。2000年香港科技大学刘正猷提出局域共振型机制，他研究的一种三维三组元声子晶体结构(包裹橡胶的铅球周期性地插入到环氧树脂中)，晶格常数比基体材料中的禁带波长小两个数量级，成功地实现了小尺寸材料控制大波长声传播的目标。随后，局域共振机理的研究成为一个热点。goffaux等人发现在包裹橡胶的铅柱周期性地插入到环氧树脂中的二维结构中存在狭窄的带隙。随后王刚把橡胶柱体插入到环氧树脂中由于橡胶本身的密度和弹性也得到了带隙。近年，一些学者对弹性波在周期粘附局域共振子的一维声子晶体结构中的传播特性进行了研究，并得到了期望的低频带隙。在工程机械中，特别是精密仪器中，轴的弹性振动是一个非常典型的问题，会减少轴的使用寿命和影响机器的精度及可靠运行。现有的传统单层声子晶体轴，其散射体为铅密度大，虽然禁带较低，但是散射体很重。但是在精密机械中，通常仅允许轴附加轻质的结构，并且轴的振动通常是种弹性振动(完曲振动，转振动、纵向振动)的耦合；而且，轴的振动频率通常随着转速的变化呈现多样化，亟需更丰富的调节方式。而目前已有单级传统离散化橡胶层的声子晶体轴，离散橡胶层虽然可以实现较低的带隙，但是由于散射体较重，橡胶的弧角的较小使得其支撑能力降低，可能导致严重的偏心问题。技术实现要素：为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，调节方式灵活，具有优异的低频振动(包含弯曲波、扭转波、纵波)带隙特性。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，包括轴基体1，在单一周期的轴基体1外沿包覆有橡胶环层2，在橡胶环层2外包覆散射体层3，橡胶环层2和散射体层3均为多层，沿径向交替分布，且在相邻橡胶环层2之间的散射体层3均沿圆周方向离散成m个弧段，m≥3。橡胶环层2和散射体层3数量相等，最外层为散射体层3，且最外层的散射体层3为封闭环层，所述轴基体1和散射体层3的材料均为环氧树脂。当离散的散射体层3超过2层时，相邻散射体层3的离散弧段径向对称或非对称分布。同一散射体层3中，各弧段的角度相等或不等。在轴向上，橡胶环层2和散射体层3也为多段结构，每一段中，橡胶环层2和散射体层3长度相等，相邻段之间，有一定间隔。当m＝3时，每段圆弧的中心角为15°。当离散的散射体层3从1层增加到2层时，其第一完全带隙降低。在散射体层3为3层，且离散的散射体层3为2层的三级结构中，2层离散的散射体层3由径向对称分布变为径向非对称分布，并且相邻两层散射体圆弧之间夹角为θ＝45°，其第一完全带隙降低。本发明优选方案：单个周期的轴向长度a＝0.075m，轴基体1外附加层即每一段橡胶环层2和散射体层3的轴向长度a1＝0.025m。轴基体1的截面半径r1为0.005m，橡胶环层2的径向宽度为0.003m，散射体层3的径向宽度为0.002m。本发明优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为2层，内侧的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.003m，散射体层3的径向宽度为0.002m，弧段的中心角均为15°。本发明优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为3层，第一层和第二层的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，第一层和第二层散射体层3的离散弧段径向对称均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.002m，散射体层3的径向宽度为0.001m，弧段的中心角均为15°。本发明优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为3层，第一层和第二层的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，第一层和第二层散射体层3的离散弧段径向非对称均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.002m，散射体层3的径向宽度为0.001m，弧段的中心角均为15°，在径向方向上相邻的两层散射体圆弧段之间的夹角θ＝0°。本发明优选方案：橡胶环层2和散射体层3均为3层，第一层和第二层的散射体层3为离散层，由三个弧段组成，第一层和第二层散射体层3的离散弧段径向非对称均匀分布，橡胶环层2的径向宽度为0.002m，散射体层3的径向宽度为0.001m，弧段的中心角均为15°，在径向方向上相邻的两层散射体圆弧段之间的夹角θ＝45°。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明声子晶体轴与现有的两级轻质声子晶体轴相比在重量方面可减轻34％，并且带隙降低。其带隙还可通过调整散射散射体的角度进行调节，并且当散射层数量大于3时，通过改变散射层相邻层的圆弧位置进行调节。本发明声子晶体轴在精密机械工程上有潜在的应用，可以对传动轴的低频振动进行控制。附图说明图1是本发明的结构示意图(横截面)。图2是本发明的结构示意图(纵截面)。图3是具有离散散射体的两级轻质声子晶体轴的实波矢图。图4是具有离散散射体的两级轻质声子晶体轴的频率响应曲线图。图5是传统的两级轻质声子晶体轴的实波矢图。图6是传统的两级轻质声子晶体轴的频率响应曲线图。图7随着离散散射体中心角的变化的带隙调节图图8具有2层径向对称离散散射体层的三级声子晶体轴的实波矢图。图9具有2层径向非对称离散散射体层的三级声子晶体轴的实波矢图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。如图1和图2所示，本发明一种具有低频减振特性的多级化散射体层的声子晶体轴，包括轴基体1，在轴基体1外沿其轴向均匀交替设置有若干附加层，每个附加层由若干橡胶环层2和散射体层3组成，橡胶环层2包覆在轴基体1外，包覆散射体层3包覆在橡胶环层2外，在一个附加层中，橡胶环层2和散射体层3沿径向交替分布，除最外层的散射体层3外，其余散射体层3(即在相邻橡胶环层2之间的散射体层3)均沿圆周方向离散成m(m≥3)个弧段。在一个附加层中，最内层的散射体层3为第一层，则第t层散射体层3的各个散射体圆弧段的中心角分别为αt1、αt2、αt3……αtn，可以全部相等，也可分别不等。相应地，相邻散射体圆弧段之间的距离依次为βt1、βt2、βt3……βtn可以全部相等，也可分别不等，两个不同散射体层3之间的离散圆弧段之间的角度表示为θ。由此形成两层或者多层、相邻两层之间径向对称分布或者非对称分布的结构。本发明中，轴基体1、散射体层3和橡胶环层2的材料参数如表1所示。两层散射体层3的尺寸参数：轴基体1的截面半径r1＝0.005m，(轴基体1+橡胶环层2)的截面半径r2＝0.007m，(轴基体1+橡胶环层2+散射体层3)的截面半径r3＝0.08m，(轴基体1+橡胶环层2+散射体层3+橡胶环层4)的截面半径r4＝0.010m，(轴基体1+橡胶环层2+散射体层3+橡胶环层4+散射体层5)的截面半径r5＝0.011m。三层散射体层的尺寸参数：轴基体1的截面半径r1＝0.005m，(轴基体1+橡胶环2)的截面半径r2＝0.007m，(轴基体1+橡胶环2+散射体3)的截面半径r3＝0.08m，(轴基体1+橡胶环2+散射体3+橡胶环4)的截面半径r4＝0.010m，(轴基体1+橡胶环2+散射体3+橡胶环4+散射体5)的截面半径r5＝0.011m，(轴基体1+橡胶环2+散射体3+橡胶环4+散射层5+橡胶环6)的截面半径r6＝0.013m，(轴基体1+橡胶环2+散射体3+橡胶环4+散射体5+橡胶环6+散射体7)r7＝0.015m。表1材料参数密度ρ/kg/m3剪切模量μ/pa泊松比轴11801.59×1090.37散射体11801.59×1090.37橡胶环13003.4×1050.47以下是本发明的三个具体实施例：实施例1散射体层3和橡胶环层2均为2层，本发明结构为第一层的散射体层3离散化的二级声子晶体结构轴。图3和图4给出了αt1＝αt2＝αt3＝α＝15°、βt1＝βt2＝βt3＝β＝105°时0-1180hz频率范围内弹性波的能带结构图。由图3和图4可以观察到，完全带隙为245-248hz和313-328hz，横波带隙为313-534hz，扭转波带隙为152-523hz，纵波带隙为217-328hz。图5和图6是传统的二级声子晶体轴的能带图，可以看出，在在0-2000hz的范围内，其完全带隙为469-493hz和532-660hz，横波带隙469-493hz和532-1391hz，扭转波带隙205-922hz，纵波带隙373-660hz。实施例2参考图7，可以通过调整离散散射体的中心角进行带隙调节。参考图8，散射体层3和橡胶环层2均为3层，本发明结构为第一层和第二层的散射体层3离散化并且径向对称的三级声子晶体结构轴，αt1＝αt2＝αt3＝α＝15°、βt1＝βt2＝βt3＝β＝105°和θ＝0°时0-500hz频率范围内弹性波的能带结构图。由图8可以观察到，第一完全带隙为290-303hz，扭转波带隙111-340hz，纵波带隙为193-303hz，横波带隙为和290-380hz。实施例3参考图9，散射体层3和橡胶环层2均为3层，本发明结构为第一层和第二层的散射体层3离散化并且径向对称的三级声子晶体结构轴，αt1＝αt2＝αt3＝α＝15°、βt1＝βt2＝βt3＝β＝105°和θ＝0°时0-500hz频率范围内弹性波的能带结构图。由图7可以观察到，完全带隙为290-303hz,扭转波带隙为111-340hz，纵波带隙为193-303hz。而横波带隙为290-380hz。实施例4散射体层3和橡胶环层2均为3层，本发明结构为第一层和第二层的散射体层3离散化并且径向非对称的三级声子晶体结构轴，αt1＝αt2＝αt3＝α＝15°、βt1＝βt2＝βt3＝β＝105°和θ＝45°时0-500hz频率范围内弹性波的能带结构图。由图9可以观察到，第一完全带隙为139-197hz，扭转波带隙为102-330hz，纵波带隙为130-197hz。而横波带隙为139-197hz。采用本发明的结构，可以使得：1：散射体重量减少多级散射体离散化的引入，使得结构相对于传统的两级局域共振结构，附加重量减轻了34％，进一步实现了局域共振结构轴的轻质化。2：完全带隙和方向带隙往低频移动。当离散散射体位置确定，层数增加为两层且径向对称的三级结构时，与上面的二级散射体离散结构轴相比，在附加同样的散射体重量情况下，其完全带隙和方向带隙全部往低频移动。当散射体层的层数确定为两层的三级结构是，相邻两层离散散射体层径向非对称时，扭转波带隙和第一完全带隙都得到了拓宽，其完全带隙和方向带隙往低频移动。因此，本发明的一维多级散射体离散化多级局域共振结构声子晶体轴可以应用于精密加工机械及智能仪器，在精密加工机械及智能仪器中，轴的振动会影响其加工和测量的精度。当前第1页12