[发明专利]一种含梳状夹层的三相声子功能材料结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于声学，涉及了机械、凝聚态物理、力学和材料学等领域，尤其涉及一种含梳状夹层的三相声子功能材料结构以及其制作方法。

背景技术

近年来，一种人造周期性复合结构-声子晶体受到人们的广泛关注。声子晶体是一种由两种或两种以上材料周期排列形成的声带隙功能材料。其中传播的弹性波由于受到弹性常数的周期性调制，可能会产生声子带隙，即一定频率范围的弹性波传播被抑制，从而有利于营造一个无振环境，为结构的减振降噪控制赋予新的活力。因此，声子晶体已成为材料学、物理学、声学、力学及其它相关学科活跃的研究领域之一。

随着人工合成周期性复合材料在国防军事、航空航天、微机电设备等方面的大量应用，小尺寸、低频宽带隙声子晶体的研制成为工程中迫切关注的问题。例如，低频噪声被视为危害人类健康的“无形杀手”。然而，根据声子晶体的弹性波带隙形成机理，声子晶体可以分为Bragg散射型和局域共振型两种声子晶体。前者带隙频率所对应的波长与晶格常数处于同一数量级，而后者带隙频率所对应的波长远大于晶格常数。因此，对于Bragg散射型声子晶体，只有通过减小周期结构中的弹性波平均波速来获得低频带隙。然而一般材料中的弹性波速较快，很难满足这一要求，不得不增大尺寸。而对于局域共振型声子晶体，已有实验证明可用较小尺寸获得低频带隙。但是，由于Fano现象的影响，带隙内弹性波的有效衰减比较小，所形成的带隙有时过窄，因此仍存在着一定的局限性。因此，必须寻找一种有效手段，在减小器件尺寸的同时有效降低带隙频率及增加带隙宽度，而这也是目前研究的难点之一。

为解决现有技术存在的上述不足，提出本发明。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有结构难以同时满足小尺寸和低频宽带隙要求的不足，提供一种含梳状夹层的三相声子功能材料结构。

为解决上述技术问题，实现本发明的目的，本发明提供了一种含梳状夹层的三相声子功能材料结构，包括内核，内核外表面包覆有夹层，内核同轴阵列排列设置在基体内，夹层为环形排列设置在内核外表面的楔体，夹层外形是梳状，楔体之间具有间隙。

所述夹层上的楔体一体设置在一带体上，该带体同轴环形设置在内核外表面。

所述夹层上的楔体为中轴线与带体垂直的矩形或梯形。

或者，所述夹层上的楔体为中轴线与带体倾斜设置的四边形。

所述的夹层上的楔体的个数至少为8个。

所述的夹层的弹性模量比基体弹性模量小一个量级，所述的内核的密度是基体密度的两倍以上，内核的半径大于晶格常数的四分之一；夹层厚度是内核半径的九分之一到四分之一。

本发明还提供了前述的三相声子功能材料结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1），材料选择：梳状夹层的弹性模量比基体的弹性模量小一个量级；内核的密度是基体密度的两倍以上，内核的半径大于晶格常数的四分之一；

步骤2），梳状夹层制作：在平直带体上周期排列楔体，楔体的截面形状可以是矩形或梯形，楔体的中轴线与带体垂直；或者楔体为与带体成倾斜角度设置的不规则四边形；夹层厚度是内核半径的九分之一到四分之一；

步骤3），将梳状夹层缠绕在内核上；梳状夹层可以采用内嵌集中式缠绕在内核上，也可以采用外凸发散式缠绕内核上。

步骤4），正方晶格周期排列缠绕梳状夹层的内核后，浇注基体，形成三相声子功能材料结构。

还包括步骤5），方法的适用性：针对不同结构声学特性的要求，重复步骤1）-步骤4），形成满足结构声学特性要求的三相声子功能材料结构。

本发明的有益效果是在满足结构声学特性要求的同时，减小结构尺寸，获得低频宽带声学带隙，结构中含周期性分布的包覆梳状夹层的内核，加工简单。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是三种不同截面形状的楔体;（a）矩形、（b）上底宽余下底的梯形、（c）下底宽余上底的梯形；

图2是梳状楔体示意图；楔体周期排列在一条很薄的平直带上;（a）梳状楔体截面图、（b）梳状楔体三维图；

图3是梳状楔体缠绕方式；（a）内嵌（集中）式缠绕、（b）外凸（发散）式缠绕；

图4是三相声子功能材料结构元胞截面图；

图5是含梳状夹层的三相声功能材料结构；