[发明专利]一种压电悬臂梁声子晶体板的设计方法

说明书

本发明涉及一种压电悬臂梁声子晶体板的设计方法，包括：1)明确带隙的变化范围，预设基体梁材料、压电片材料等材料参数以及悬臂梁基体梁厚度、压电片厚度和悬臂梁宽度、晶格常数等几何参数；2)利用断路电学边界条件下的压电片等效弹性模量预估悬臂梁长度；3)确定外接电容值，通过设置的外接电感最大值迭代求解最终悬臂梁长度；4)通过已设计的参数，确定外接电感最小值；5)检查共振体干涉情况，完成设计。与现有技术相比，本发明能够准确获取压电悬臂梁声子晶体板的设计参数，能够为振动频率在一定范围内发生变化的窄带振动抑制问题提供一种可靠的解决方案。

技术领域

本发明涉及声子晶体板设计技术领域，尤其是涉及一种压电悬臂梁声子晶体板的设计方法。

背景技术

声子晶体作为一种由光子晶体拓展而来的新型材料，因其带隙特性——即能抑制特定频段振动的特性，受到国内外学者的广泛关注和深入研究，并且在建筑、航天、航海等领域越来越多地得到应用。但传统结构的声子晶体一旦设计制造完毕，其带隙范围将固定不变，仅能抑制固定频段的振动。而在实际应用中，振源的振动频率可能并非是一成不变的，因此有必要对设计完毕后声子晶体的带隙范围进行调控，目前通常的做法是在传统弹簧-振子声子晶体的基础上，将共振体变为压电悬臂梁结构，并引入外接分流电路，通过改变分流电路的电路参数来对带隙范围进行调控。

但在压电悬臂梁声子晶体的设计过程中，需要设计的参数主要包括以下三个部分：(1)材料参数：悬臂梁基体梁材料的选取、压电材料的选取；(2)几何参数：悬臂梁基体梁的长度、宽度及厚度的选取、压电片厚度的选取以及晶格常数的选取；(3)电路参数：外接电路中电容参数及电感参数的选取。由于设计参数繁多且杂乱，因此此种结构一直缺少程式化的设计方法，并不能准确地获取压电悬臂梁声子晶体板的设计参数，也就无法为后续带隙的变频调控提供可靠基础。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压电悬臂梁声子晶体板的设计方法，以准确获取压电悬臂梁声子晶体板的设计参数。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种压电悬臂梁声子晶体板的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据带隙的目标变化范围，预先设定材料参数及几何参数，其中，材料参数包括基体梁材料参数和压电片材料参数，几何参数包括共振体基体梁厚度和宽度、压电片厚度和宽度、晶格常数；

S2、基于断路电学边界条件下的压电片等效弹性模量，计算得到初步悬臂梁长度；

S3、根据带隙的目标上限频率以及初步悬臂梁长度，计算得到外接电容临界值，并基于外接电路谐振限制条件，选取得到外接电容相对值；

S4、根据初步悬臂梁长度、外接电容相对值以及预设的电感变化最大值，通过迭代求解得到最终悬臂梁长度；

S5、根据带隙的目标上限频率以及最终悬臂梁长度，进一步求取电感变化最小值；

S6、判断电感变化最小值是否不大于0，若判断为是，则调整外接电容相对值，之后返回步骤S4；若判断为否，则执行步骤S7；

S7、判断是否存在共振体排布角度能够避免共振体干涉，若判断为是，则结束当前设计过程，否则调整共振体基体梁厚度，之后返回步骤S2。

进一步地，所述步骤S2中初步悬臂梁长度的计算公式为：