对机械波选择吸收的二维声学超材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及声学超材料技术领域，特别涉及一种对机械波选择吸收的二维声 学超材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 以下对本实用新型的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本实用新 型的现有技术。
[0003] 声学超材料的概念最初是由Liu等人在研究局部共振声学材料时提出的，他们从 理论、数值模拟以及实验等多个方面论述了具有负有效体积模量的声学超材料。Li和Chan 应用Berryman提出的有效质量和有效密度的概念，得到了具有有效体积模量和有效质量密 度同时为负的结论。所得到的负的质量密度意味着，如果在集中质量上的作用力的方向向 左，那么得到的在集中质量上的加速度方向则向右。由于材料结构的特殊性，才在宏观上得 到作用力的方向与集中质量上面产生的加速度的方向相反的结论。
[0004] 目前对声学超材料大多集中一维杆结构的超材料，这些一维超材料中使用的胞元 微结构通常由集中质量与理想弹簧构成。这种胞元微结构可以产生一个有效带隙，使某一 个频率范围内的声波无法向前传播。在此研究基础上，本实用新型提出了一种新型的二维 超材料平板，平板结构可以吸收与板方向垂直的机械波。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提出一种对机械波选择吸收的二维声学超材料及其制备 方法，根据本实用新型的二维声学超材料能够吸收垂直方向的机械波，且结构简单、设计性 好、便于实现。
[0006] 根据本实用新型的一个方面，提供一种对机械波选择吸收的二维声学超材料，包 括:两块纤维增强聚丙烯两块纤维增强聚丙烯FRPP平板、橡胶薄膜、集中质量块和金属贴 片;其中，
[0007] 所述FRPP平板上设置有周期性排列的开口，两块所述FRPP平板之间夹持橡胶薄 膜；
[0008] 集中质量块和金属贴片设置在每个开口处的橡胶薄膜的中心，其中，集中质量块 为磁性材料块、并设置在橡胶薄膜一侧的中心，金属贴片设置在橡胶薄膜另一侧的中心，所 有的集中质量块位于所述FRPP平板的同一侧。
[0009] 优选地，所述开口为方形开口，所述方形开口呈矩阵式排列，所述方形开口的尺寸 为60mm X 60mm，相邻两个所述开口之间的间距为25mm。
[0010] 优选地，每个开口处的所述橡胶薄膜的等效刚度为：
[0012] 每个开口处的所述橡胶薄膜的质量为：
[0013] mi = f(p，I，d，e)
[0014] 式中，无为每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度，单位为:N/m;P为橡胶薄膜的密度， 单位为:kg/m3; E为橡胶薄膜的杨氏模量，单位为:N/m2; 1为橡胶薄膜的长度，单位为:mm; d为 橡胶薄膜的宽度，单位为:mm; e为橡胶薄膜的厚度，单位为:mm; mi为每个开口处的橡胶薄膜 的质量，单位为:kg。
[0015] 优选地，每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量为：
[0019] 式中，I为每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量，单位为:kg; Ω为待 吸收机械波的频率，单位为:Hz ;m2为每个开口处的磁性材料块的质量，单位为:kg。
[0020] 优选地，所述FRPP平板的尺寸为380mm X 380mm，每块所述FRPP平板上设置有16或 20个方形开口。
[0021]根据本实用新型的另一个方面，提供一种对机械波选择吸收的二维声学超材料的 制备方法，包括：
[0022] S1、在纤维增强聚丙烯FRPP平板设置周期性排列的开口，利用两块所述FRPP平板 夹持橡胶薄膜；
[0023] S2、在每个开口处的橡胶薄膜的一侧的中心设置磁性材料块，在每个开口处的橡 胶薄膜的另一侧的中心设置金属贴片，并且所有的磁性材料块位于所述FRPP平板的同一 侧。
[0024]优选地，所述开口为方形开口，所述方形开口呈矩阵式排列，所述方形开口的尺寸 为60mm X 60mm，相邻两个所述开口之间的间距为25mm。
[0025]优选地，步骤S2之前进一步包括：
[0026] 根据橡胶薄膜的密度以及每个开口处橡胶薄膜的杨氏模量、长度、宽度和厚度确 定每个开口处橡胶薄膜的质量和等效刚度；
[0027] 其中，每个开口处的所述橡胶薄膜的等效刚度为：
[0029] 每个开口处的所述橡胶薄膜的质量为：
[0030] mi = f(p，l，d，e)
[0031] 式中，万为每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度，单位为:N/m;P为橡胶薄膜的密度， 单位为:kg/m3; E为橡胶薄膜的杨氏模量，单位为:N/m2; 1为橡胶薄膜的长度，单位为:mm; d为 橡胶薄膜的宽度，单位为:mm; e为橡胶薄膜的厚度，单位为:mm; mi为每个开口处的橡胶薄膜 的质量，单位为:kg。
[0032]优选地，步骤S2之前进一步包括:依据待吸收机械波的频率和橡胶薄膜的等效刚 度，确定每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量;每个开口处的磁性材料块和橡 胶薄膜的等效质量为：
[0034]步骤S2之前进一步包括:基于所述等效质量以及每个开口处橡胶薄膜的质量，确 定每个开口处的磁性材料块的质量;每个开口处的磁性材料块的质量为：
[0036]式中，??为每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量，单位为:kg; Ω为待 吸收机械波的频率，单位为:Hz ;m2为每个开口处的磁性材料块的质量，单位为:kg。
[0037] 优选地，所述FRPP平板的尺寸为380mm X 380mm，每块所述FRPP平板上设置有16或 20个方形开口。
[0038]根据本实用新型的对机械波选择吸收的二维声学超材料，包括:FRPP平板、橡胶薄 膜、集中质量块和金属贴片；其中，所述FRPP平板上设置有周期性排列的开口，两块FRPP平 板之间夹持橡胶薄膜;集中质量块和金属贴片设置在每个开口处的橡胶薄膜的中心，其中， 集中质量块为磁性材料块并设置在橡胶薄膜一侧的中心，金属贴片设置在橡胶薄膜另一侧 的中心，所有的集中质量块位于FRPP平板的同一侧。本实用新型通过采用两块FRPP平板夹 持橡胶薄膜、并在FRPP平板的每个开口处的橡胶薄膜的中心设置集中质量块，使声学超材 料具有质量-弹簧微结构的声学振动模式与光学振动模式，通过有针对性地选择集中质量 块可以实现对特定频率的机械波进行选择吸收;通过以磁性材料块作为集中质量块，将磁 性材料块设置在橡胶薄膜一侧的中心、并在橡胶薄膜另一侧的中心设置金属贴片，能够将 集中质量块固定在薄膜表面，避免由于黏贴带来的外部边界对橡胶薄膜性能的影响。根据 本实用新型的二维声学超材料，能够吸收垂直方向的机械波，且结构简单、设计性好、便于 实现。
[0039] 本实用新型还提供了一种二维声学超材料的制备方法，该制备方法具有上述二维 声学超材料的所有有益效果。
【附图说明】
[0040] 通过以下参照附图而提供的【具体实施方式】部分，本实用新型的特征和优点将变得 更加容易理解，在附图中：
[0041] 图1是示出根据本实用新型的对机械波选择吸收的二维声学超材料的结构示意 图；
[0042] 图2是示出根据本实用新型的二维声学超材料的集中质量块与金属贴片剖视图；
[0043] 图3是根据本实用新型的二维声学超材料的力学模型示意图；
[0044] 图4是根据本实用新型优选实施例的二维声学超材料的扫频测试曲线；
[0045]图5是根据本实用新型优选实施例的二维声学超材料在67.5Hz的振型；
[0046] 图6是根据本实用新型优选实施例的二维声学超材料在157.5Hz的振型。
【具体实施方式】
[0047] 下面参照附图对本实用新型的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式 的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。
[0048] 参见图1、2,根据本实用新型的对机械波选择吸收的二维声学超材料包括:两块纤 维增强聚丙烯FRPP平板1、橡胶薄膜2、集中质量块3和金属贴片4ARPP平板上设置有周期性 排列的开口，两块FRPP平板之间夹持橡胶薄膜;集中质量块和金属贴片设置在每个开口处 的橡胶薄膜的中心，集中质量块设置在橡胶薄膜一侧的中心，金属贴片设置在橡胶薄膜另 一侧的中心，所有的磁性材料块位于所述FRPP平板的同一侧。被两块FRPP平板1夹持的橡胶 薄膜2可以等效于弹簧，通过调节两块FRPP板1之间的夹持方式，可以获得具有不同弹性系 数的橡胶薄膜2。
[0049] FRPP平板1上设置有周期性排列的开口，开口的形状可以是圆形或多边，开口的排 列方式也可以根据实际需要确定，方形开口的尺寸不同，每个方形开口处橡胶薄膜的弹性 参数不同，根据本实用新型的优选实施例，开口为方形开口，方形开口呈矩阵式排列，方形 开口的尺寸为60mm X 60mm，相邻两个开口之间的间距为25mm。优选地，FRPP平板的尺寸为 380mm X 380mm，每块FRPP平板上设置有16或20个方形开口。
[0050] 现有技术中，集中质量块多通过黏贴的方式固定在橡胶薄膜上。但是，采用这种固 定方式的声学超材料，黏贴带来的外部边界会对橡胶薄膜的性能产生影响。为了解决这个 问题，根据本实用新型的二维声学超材料，集中质量块为磁性材料块，通过将磁性材料块设 置在橡胶薄膜一侧的中心、并在橡胶薄膜另一侧的中心设置金属贴片，能够将集中质量块 固定在薄膜表面，避免由于黏贴带来的