[发明专利]具有缝隙特征散射体二维声子结构及由其组成的带隙材料

说明书

技术领域

本发明属于机械类，具体涉及一种应用于声学、城市环境、工业噪声治理和航空噪声治理的具有缝隙特征散射体的二维声子晶体结构及带隙材料。

背景技术

在城市和工业噪声治理中，目前主要还是沿用经典的吸声和隔声技术，比如根据质量定理来设计隔声结构。自二十世纪九十年代以来，随着声子晶体的发现和发展，人们开始关注应用声子晶体技术来设计制备具有声学禁带特性的隔声结构。在声子晶体中，可以通过增加基质和散射体的密度比、声速度比、物理参数比(弹性模量等)，或通过改变散射体的截面形状、分布，设置缺陷，增加组份、加设吸收层等方法来获得一定范围的声学禁带或带隙特性，其原理主要解释为布拉格散射和局域共振。从理论上，上述方法都能不同程度的增加禁带宽度，在工程领域实际应用中，主要根据不同应用场合和对象，有选择地采用以上方法来实现声学禁带特性，但是有时并不一定能够达到理论目标，尤其是当晶格常数、基质和散射体物理参数、形状，组份保持不变的情况下，禁带特性不能很好满足实际需求，主要原因是所获得的禁带区间往往不在人耳敏感的频率范围。迄今为止，大多数文献报道的二维声子晶体的禁带频率均处于超声范围或高声频范围，虽然三维声子晶体理论和实验已经证明可以获得常用声频范围内的禁带特性，但由于结构设计和制备技术的参数要求高、难度大，目前还不利于推广应用。所以在实际应用中，人们最关注的还是二维声子晶体技术。

现有二维声子晶体的主要技术特点总结如下：

(1)通过增加基质和散射体的密度比、声速度比、物理参数比(弹性模量等)，来增加带隙的宽度。但因工程实际中选用材料是有条件的，所以这些参数比的变化是有限的；

(2)通过改变散射体的截面形状、分布来增加带隙的宽度。散射体的截面形状主要有圆、方、三角形等，分布主要有三、四、六边形分布等；

(3)人为设置缺陷。主要是在原有的周期性结构中增加比原有散射体物理参数和尺度参数更大的散射体。

(4)增加组份、加设吸收层。主要是把二组份结构材料增加到三组份或更多组份，增加的组份主要为吸收层，能够有效防止弹性波反射和增加阻尼。

(5)复合结构，利用不同晶格常数组成的禁带结构，可以获得比较宽的禁带特性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有禁带范围宽、起始频率低，且易于制备应用的具有缝隙特征散射体的二维声子晶体结构及带隙材料。

为达到上述目的，本发明的散射体二维声子晶体结构为：在散射体上开设一条或一条以上的用于吸声的微缝；散射体采用圆形、方形、三角形、菱形或六边形的金属管。

本发明的带隙材料为：组成带隙材料的散射体即金属管上开设的微缝自入射声波方向其缝宽按照逐渐增加或逐渐减小的方式组合；组成带隙材料的散射体上开设的微缝自入射声波方向其共振频率范围不重叠。

本发明在布拉格散射或局域共振原理基础上，通过在散射体中增加微缝吸声功能来拓宽禁带频率范围；采用机械加工的方式制备微缝散射体结构，成本较低；对微缝散射体的缝宽参数进行切趾优化组合(主要确保单一缝宽开缝散射体所构成的带隙材料，其禁带内共振频率范围不重叠)，形成复合型禁带结构，可以获得宽禁带、低起始频率的隔声特性。

附图说明

图1是开缝散射体带隙材料结构示意图；

图2是开缝散射体横截面形状示意图；

图3是开缝散射体的排列方式；

图4是两种不同缝宽的单一缝参数开缝散射体带隙结构禁带；

图5是复合缝宽圆管带隙材料的实验和理论透射系数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，散射体选材：普通无缝钢管，钢管弹性模量：205e9Pa，泊松比：0.28，密度：7850kg/m³，圆管外径：Φ31mm，壁厚：3mm，长度：540mm，开缝数：3，缝距D：8mm，缝宽W(三种)：6mm、4mm、2mm。基质：空气。用普通车床加工钢管外圆定位面，用快速雕铣机切缝，将加工后的散射体按照每种缝宽3行2列的方式组装(参见图1，3)，其排列方式可以是规则排列或相互交错排列，实验测试和理论计算的结果如图5所示：图5中的透射系数曲线表明，本专利申请提出的开缝圆管散射体结构具有低起始频率(大约在1600Hz)和大带宽(1600～8600Hz)的良好禁带特性。

参见图2，本发明的散射体可以采用正方形，三角形或菱形结构的管材。