一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构

本发明涉及声子晶体减振降噪，特别涉及一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构。

背景技术：

1、声学黑洞是将天文物理学中的黑洞概念引入波动和声振领域中，并将其作为一种全新的概念提出。在楔形结构中，如果结构的厚度以一定的幂函数形式减小，弯曲波的波速会随着厚度逐渐减小，振动能量聚集于声学黑洞区域内并被阻尼耗散，达到良好的减振效果。由于声学黑洞只对波长与其特征尺寸相当的弯曲波有明显的汇聚和吸收作用，若将其应用于较低频率的减振，则需要较大的尺寸和较薄的厚度，不利于实际应用。

2、声子晶体是具有弹性波禁带特性的周期性结构，其形成的禁带会对处于该频段的振动有很好的抑制衰减作用。将声学黑洞作为声子晶体单元周期排布，可产生低频带隙，改善声学黑洞的低频减振性能。但目前将声学黑洞的周期排布形式，难以形成全方向带隙。针对以上问题，以下提出一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构，利用一维声学黑洞组成格栅型声子晶体，形成二维层面的全方向带隙，改善声学黑洞在较低频段的减振性能，同时具备宽频减振效果。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构，包括：

4、由中间的均匀部分(1)和四周变厚度的声学黑洞区域(2)组成。其晶格常数为a，均匀部分(1)厚为h；声学黑洞区域(2)，长宽均为l、b，并且满足(2×l+b)≤a。x方向上声学黑洞区域(2)厚度为关于x的函数，满足y方向上声学黑洞区域(2)厚度为关于y的函数，满足其中h0为声学黑洞末端的残余厚度，即m为指数，为产生声学黑洞效应，m需满足m≥2。

5、作为优选，单元材料选择为环氧树脂，弹性模量e＝4.35gpa，密度ρ＝1180kg/m3，泊松比υ＝0.368，阻尼损耗因子η＝0.05。具有易加工、良好的粘附性、高强度、良好的耐磨性等良好的特点，并且具备一定的阻尼特性，可以消耗由声学黑洞聚集的振动能量，实现宽频减振性能。相比金属材料，环氧树脂的弹性模量和密度也易于生成频率更低、更宽的带隙。

6、将单元结构在二维层面周期排列，形成周期结构，单元结构之间在声学黑洞区域连接，由粘接剂固连。

7、作为优选，单元结构为十字型，周期结构整体为方形或者长方形。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

9、相比于厚度不变的普通格栅，本发明可形成更低、更宽的带隙频段，有利于低频段的减振降噪。相比于周期声学黑洞结构，本发明可实现二维层面的全方向带隙，有利于阻止振动在二维层面的传递。相比于其他声子晶体结构，本结构还具备宽频减振性能，即在带隙范围外仍具备减振功能。总而言之，本发明即具备一般声子晶体的低频全方向带隙特性，又具备声学黑洞的宽频减振功能。

技术特征：

1.一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构，其特征在于，位于中间的所述均匀部分(1)和位于四周的所述声学黑洞区域(2)为一体式设计，所述均匀部分(1)和声学黑洞区域(2)的连接处平滑过渡。

3.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构，其特征在于，所述均匀部分(1)和声学黑洞区域(2)均采用含阻尼特性的材料制作。

4.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构，其特征在于，所述均匀部分(1)和声学黑洞区域(2)均采用金属材料制作，所述声学黑洞区域(2)附加有阻尼材料。

5.根据权利要求4所述的一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体单元结构，其特征在于，若干所述单元结构在二维层面内周期排列，若干所述单元结构之间在声学黑洞区域(2)通过粘接剂固定连接。

技术总结
本发明公开了一种基于声学黑洞的格栅型声子晶体结构设计，涉及减振降噪领域，单元结构包括中间的均匀部分和四周的变厚度部分，变厚度区域即为声学黑洞区域，厚度呈幂函数减小，弯曲波进入声学黑洞结构后，波速会随着厚度减小，产生弯曲波的聚集效应，利用阻尼材料耗散振动能量，实现宽频减振性能，单元结构经周期排列后，周期结构可在较低频段产生带隙特性，阻止特定频段的振动传递，本发明可同时实现低频带隙特性和宽频减振性能，相比厚度不变的格栅结构减振性能得到明显提升。

技术研发人员：宋春生,谢沐炎,尹睿,韩雨润,江友亮
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12