具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体

本发明涉及声子晶体，具体而言，尤其涉及一种具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体。

背景技术：

1、随着社会工业化的飞速发展，环境中的噪声污染问题也越来越严重，已经成为主要污染之一。因此，人们对隔声减振材料的需求日益增加。声学超材料是解决上述问题的不二选择。声子晶体是声学超材料的一种，它是由弹性固体周期性排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能材料。声子晶体的特征是具有弹性波带隙，即在带隙的频率范围内，弹性波的传播将被抑制。当声子晶体中存在点缺陷或线缺陷时，弹性波会被局限在点缺陷处，或只能沿线缺陷传播。通过对声子晶体周期结构及其缺陷的设计，可以人为地调控弹性波的流动。

2、受分形原理的启发，自相似结构是一种尺度变换下的不变性结构。在不同尺度下观察分形结构可以看到近似相同的形象，若把整个对象进行局部放大，再把局部的局部再次放大，都可以看到相似的结构特征。分形自相似意味着部分与整体有一样的复杂性，并且分形的部分与部分之间也是相似的。相较于天然材料，超材料具有可设计、针对性强、效果好的优点。

3、在隔声减振结构设计及应用等方面，这种具有周期性结构地自相似结构超材料越发引起国内外研究人员地关注。经过人工设计的声子晶体，其性能在许多方面远远优于天然结构。而复杂化后的具有自相似结构的声子晶体，其性能会在简单声子晶体地基础上得到更大程度的提升。其中突出的特点便是阻隔声波的能力提升。因此，应用自相似结构声子晶体来减轻噪声污染所带来的危害是一个重要的课题。

4、有鉴于此，本发明提供一种具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体。

技术实现思路

1、根据上述提出的不足，而提供一种具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体。本发明主要利用第一圆柱臂、球体和第二圆柱臂构建具有弹性波带隙的一阶单胞结构，从而抑制弹性波的传播。并且，基于一阶单胞结构形成一种自相似单胞结构，实现更大的带隙宽度，进一步抑制弹性波的传播。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、本发明提供了一种具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，包括：

4、一阶单胞结构，包括：3个相同的正方形框，3个所述正方形框两两垂直，且3个所述正方形框的中心重合；所述正方形框包括4个首尾连接的第一圆柱臂；任意2个所述正方形框的交叉处连接有第二圆柱臂，所述第二圆柱臂位于所述正方形框外，且沿其连接的所述交叉处指向所述正方形框的中心的方向延伸，所述第二圆柱臂与所述第一圆柱臂的直径相同。

5、优选地，相邻所述第一圆柱臂之间采用球体连接，所述球体与所述第一圆柱臂的直径相同。

6、优选地，所述一阶单胞结构阵列排布，相邻所述一阶单胞结构通过所述第二圆柱臂连接。

7、优选地，所述一阶单胞结构包括第一一阶单胞结构和第二一阶单胞结构，所述第一一阶单胞结构的所述第一圆柱臂的长度大于所述第二一阶单胞结构的所述第一圆柱臂的长度，所述第一一阶单胞结构的所述第二圆柱臂的长度大于所述第二一阶单胞结构的所述第二圆柱臂的长度；

8、所述第一一阶单胞结构结合所述第二一阶单胞结构得到自相似单胞结构，包括：所述第一一阶单胞结构的所述第一圆柱臂包括2n个第一替换段，n为正整数；所述第二一阶单胞结构替换所述第一替换段，所述第二一阶单胞结构的所述第二圆柱臂与所述第一一阶单胞结构的所述第一圆柱臂连接；

9、所述第一一阶单胞结构的所述第二圆柱臂远离所述正方形框的一端包括第二替换段；过任一所述第二一阶单胞结构的所述第二圆柱臂的中心线将所述第二一阶单胞结构切割成两个对称的部分；任一所述部分替换所述第二替换段，所述部分未被切割的所述第二圆柱臂与所述第一一阶单胞结构的所述第二圆柱臂连接。

10、优选地，在所述第二一阶单胞结构中，未连接所述第一一阶单胞结构的所述第二圆柱臂均去除。

11、优选地，所述自相似单胞结构为对称结构。

12、优选地，所述自相似单胞结构阵列排布，相邻所述自相似单胞结构通过所述切割面连接。

13、优选地，所述一阶单胞结构的材料为铝。

14、优选地，所述一阶单胞结构的杨氏模量为70～80gpa、泊松比为0.3～0.33、密度为2700kg/m3。

15、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

16、1、本发明提供的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，具有独特的自相似结构，能够获得更大的带隙宽度从而具备更优异的隔声性能。

17、2、本发明提供的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，在保证单元尺寸不变的条件下，将内部结构复杂化后会得到更大的弹性波带隙宽度。

18、3、本发明提供的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，可以通过改变内部尺寸结构实现对不同频率范围内声波通断的控制。

19、4、本发明提供的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，这种复杂的自相似结构为拓宽弹性波带隙的研究具有一定的参考价值。

20、5、本发明提供的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，在拓宽隔声范围的同时，兼备良好的力学抗振性能。

技术特征：

1.一种具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，相邻所述第一圆柱臂之间采用球体连接，所述球体与所述第一圆柱臂的直径相同。

3.根据权利要求1所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，所述一阶单胞结构阵列排布，相邻所述一阶单胞结构通过所述第二圆柱臂连接。

4.根据权利要求1所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，所述一阶单胞结构包括第一一阶单胞结构和第二一阶单胞结构，所述第一一阶单胞结构的所述第一圆柱臂的长度大于所述第二一阶单胞结构的所述第一圆柱臂的长度，所述第一一阶单胞结构的所述第二圆柱臂的长度大于所述第二一阶单胞结构的所述第二圆柱臂的长度；

5.根据权利要求4所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，在所述第二一阶单胞结构中，未连接所述第一一阶单胞结构的所述第二圆柱臂均去除。

6.根据权利要求4所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，所述自相似单胞结构为对称结构。

7.根据权利要求4所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，所述自相似单胞结构阵列排布，相邻所述自相似单胞结构通过所述切割面连接。

8.根据权利要求1所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，所述一阶单胞结构的材料为铝。

9.根据权利要求1所述的具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，其特征在于，所述一阶单胞结构的杨氏模量为70～80gpa、泊松比为0.3～0.33、密度为2700kg/m3。

技术总结
本发明提供一种具有隔声减振功能的自相似结构三维声子晶体，包括：一阶单胞结构，包括：3个相同的正方形框，3个正方形框两两垂直，且3个正方形框的中心重合；正方形框包括4个首尾连接的第一圆柱臂；任意2个正方形框的交叉处连接有第二圆柱臂，第二圆柱臂位于正方形框外，且沿其连接的交叉处指向正方形框的中心的方向延伸，第二圆柱臂与第一圆柱臂的直径相同。通过具有弹性波带隙，从而抑制弹性波的传播。通过第一圆柱臂、球体和第二圆柱臂构建具有弹性波带隙的一阶单胞结构，从而抑制弹性波的传播。并且，基于一阶单胞结构形成一种自相似单胞结构，实现更大的带隙宽度，进一步抑制弹性波的传播。

技术研发人员：李琦,龚飞龙,孔越,孙笑妹,肖子非
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12