[发明专利]一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴

说明书

一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，具有低频减振特性，结构包括轴基体，以及在轴基体外沿x方向(轴向方向)周期性分布着多个局域共振子，每个局域共振子又由径向方向的离散散射体层和橡胶层交替分布组成。本发明的弹性超材料结构轴相对于传统的两级声子晶体轴在其附加重量可减轻34％，且带隙往低频移动，并且对三种弹性波都有可控制的带隙范围，其带隙还可通过调整每级中离散散射体圆弧段的角度和数量及径向方向的级数进行调节。由于本发明声子晶体轴的低频减振特性，因此在精密机械工程上有潜在的应用，可以对传动轴的低频振动进行控制。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴。

背景技术

声子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控弹性波的传输，落在带隙频率内弹性波的禁止传播。声子晶体已经广泛地应用于隔离噪声和振动，机械滤波器和导波管中。

目前，声子晶体存在两种截然不同的禁带机制，即布拉格带隙机制和和局域共振型机制。布拉格带隙机理中声子晶体晶格常数与基体材料的禁带波长同数量级，这就限制了声子晶体晶格尺寸。2000年香港科技大学刘正猷提出局域共振型机制，他研究的一种三维三组元声子晶体结构(包裹橡胶的铅球周期性地插入到环氧树脂中)，晶格常数比基体材料中的禁带波长小两个数量级，成功地实现了小尺寸材料控制大波长声传播的目标。随后，局域共振机理的研究成为一个热点。Goffaux等人发现在包裹橡胶的铅柱周期性地插入到环氧树脂中的二维结构中存在狭窄的带隙。随后王刚把橡胶柱体插入到环氧树脂中由于橡胶本身的密度和弹性也得到了带隙。近年，一些学者对弹性波在周期粘附局域共振子的一维声子晶体结构中的传播特性进行了研究，并得到了期望的低频带隙。

在工程机械中，特别是精密仪器中，轴的弹性振动是一个非常典型的问题，会减少轴的使用寿命和影响机器的精度及可靠运行。现有的传统单层声子晶体轴，其散射体为铅密度大，虽然禁带较低，但是散射体很重。

但是在精密机械中，通常仅允许轴附加轻质的结构，并且轴的振动通常是种弹性振动(完曲振动，转振动、纵向振动)的耦合；而且，轴的振动频率通常随着转速的变化呈现多样化，亟需更丰富的调节方式。而目前已有单级传统离散化橡胶层的声子晶体轴，离散橡胶层虽然可以实现较低的带隙，但是由于散射体较重，橡胶的弧角的较小使得其支撑能力降低，可能导致严重的偏心问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，调节方式灵活，具有优异的低频振动(包含弯曲波、扭转波、纵波)带隙特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种一维多级散射体离散化局域共振结构声子晶体轴，包括轴基体1，在单一周期的轴基体1外沿包覆有橡胶环层2，在橡胶环层2外包覆散射体层3，橡胶环层2和散射体层3均为多层，沿径向交替分布，且在相邻橡胶环层2之间的散射体层3均沿圆周方向离散成m个弧段，m≥3。

橡胶环层2和散射体层3数量相等，最外层为散射体层3，且最外层的散射体层3为封闭环层，所述轴基体1和散射体层3的材料均为环氧树脂。

当离散的散射体层3超过2层时，相邻散射体层3的离散弧段径向对称或非对称分布。

同一散射体层3中，各弧段的角度相等或不等。

在轴向上，橡胶环层2和散射体层3也为多段结构，每一段中，橡胶环层2和散射体层3长度相等，相邻段之间，有一定间隔。

当m＝3时，每段圆弧的中心角为15°。

当离散的散射体层3从1层增加到2层时，其第一完全带隙降低。