[发明专利]一种具有宽禁带的三负弹性波超材料

说明书

本发明公开了一种具有宽禁带的三负弹性波超材料，括N个单胞。每个单胞是二维结构，呈正方形，基体材料为泡沫，在其中心开一个圆孔，围绕这个圆孔开四个椭圆形孔。在四个椭圆孔中填充散射体金属钨，但散射体不能充满椭圆孔，整个单胞是中心对称结构。这种弹性波超材料可在同一频率范围内同时实现等效负质量密度，等效负体积模量，等效负剪切模量，进而在同一频率范围内实现对弹性波横波、纵波负折射，同时这种弹性波超材料还具有较宽的禁带。该材料可用于设计调控弹性波的功能器件、梯度材料，也可用于机械设备、建筑结构的隔振、隔声。

技术领域

本发明属于减振领域，尤其涉及一种在同频率范围内具有等效负质量密度、等效负体积模量、等效负剪切模量的弹性波超材料。

背景技术

目前在机械、土木、仪器等研究领域，如何控制振动是意义重大的问题。比如，共振会使构件失效，此外，频繁的振动会使金属构件加速疲劳破坏，尤其对于精密仪器，要保证其精度就要保证其不受振动干扰。一切振动的物体都在发声，噪声会影响人们的生活质量和身心健康。因此对隔振、减振的研究具有重要意义。

弹性波超材料的理论基础——局域共振理论，是在2000年提出的，在声子晶体的研究基础上发展而来，至今只有20年的发展历史。其研究大多为理论研究，实用功能器件的研发工作较少，且开发出的功能器件一般仅在实验室使用，尚未进入大规模的应用阶段。振动是以波的形式在物体中传播的，当波矢在弹性波超材料中传播时，在某一频率范围内没有任何对应的本征模态，该频带称为禁带。利用弹性波超材料的禁带隔振是利用弹性波超材料减隔振手段之一。

另外一种利用超材料减隔振的方法是对弹性波的传播路径进行调控。各向异性弹性波超材料可使某些频率的弹性波绕过期望保护的目标，使目标完全不受该弹性波的影响，弹性波隐身斗篷就是根据该原理提出的。具有负质量密度和负体积模量的弹性波超材料可对纵波进行调控，对纵波产生负折射。具有负质量密度和负剪切模量的弹性波超材料可对横波进行调控，对横波产生负折射。在同频带内实现负质量密度与负体积模量，或负质量密度与负剪切模量的弹性波超材料称为双负弹性波超材料。在同频带内同时实现负质量密度、负体积模量、负剪切模量的弹性波超材料可称为三负弹性波超材料，可对纵波、横波进行调控。

目前双负弹性波超材料较为多见，双负弹性波超材料在同一频带内等效质量密度和等效体积模量同时为负，或等效质量密度和等效剪切模量同时为负，而三负弹性波超材料极为少见。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种具有宽禁带的三负弹性波超材料，该三负弹性波超材料单胞具有较同类单胞更宽的带隙。禁带可以阻止一部分弹性波的传播，利用负折射可以调控禁带无法阻止的弹性波的传播路径，根据此原理，这种三负弹性波超材料可用于制作减隔振功能梯度材料或功能器件。三负弹性波超材料在同一频带内等效质量密度、等效体积模量、等效剪切模量同时为负，可实现对纵波、横波的负折射，可对纵、横弹性波的传播路径进行调控。

技术方案：为了达到上述目的，本发明的一种具有宽禁带的三负弹性波超材料技术方案如下：

该超材料包括N个单胞，每个单胞是二维结构，呈正方形，在单胞基体的中心开一个圆孔，围绕这个圆孔开四个椭圆形孔，在四个椭圆孔中填充的散射体，但散射体不能充满椭圆孔，留有空隙，整个单胞是中心对称结构，单胞在二维坐标系x，y方向进行延拓后成为二维周期结构。

其中：

所述的四个椭圆形孔的长轴的轴线通过单胞基体中心开的圆孔中心，四个椭圆形孔均布在圆孔的外周。

所述的在四个椭圆孔中填充的散射体位于中心圆孔的一侧。

所述的单胞在二维坐标系x，y方向进行延拓后成为二维周期结构，其中所述的各椭圆形孔的长轴的轴线在横向或纵向分别在一条直线上。

基体的材料为泡沫，散射体的材料为金属钨。

有益效果：