[发明专利]一种层级蜂窝式声学超材料结构及其优化方法

说明书

本发明公开了一种层级蜂窝式声学超材料结构及其优化方法，属于机械减振结构领域。其为由层级蜂窝式基体和树脂嵌入体组成的层级蜂窝式结构，通过不同大小的正六边形取代规则六边形蜂窝结构的单元壁和单元角形成层级结构得到，其中层级蜂窝式基体内未填充散射体，优化方法包括用遗传算法优化树脂嵌入体在层级蜂窝式基体中的分布位置；用数值计算得出层级蜂窝式结构的波传播特性，填充后的层级蜂窝式结构在低频范围内产生宽的带隙，且随着层级数的增加，带隙出现的频率越低；以层级蜂窝式结构为例制作实物，针对仿真结果进行验证。本发明克服传统的蜂窝式结构带隙频率高、带宽窄的问题，更好实现低频隔振，促进声学超材料在低频隔振领域的利用。

技术领域

本发明涉及机械减振结构领域，具体涉及一种层级蜂窝式声学超材料结构及其优化方法。

背景技术

振动和噪声广泛存在于人们的生活中，其合理的应用会给人们的生活带来便利，如超声波诊断、电动牙刷等。但在一些特殊的情况下，它们的存在会给人们的生活带来一些不必要的麻烦，如发动机运转时产生的噪声与振动使乘客感到不适；精密仪器工作时，弹性波的出现会降低结构的精度等。因此，需要采取合适的手段阻挡弹性波的传播。而声学超材料作为一种新型的人工结构，拥有天然材料所不具备的超长物理特性，进一步拓展了材料的声学属性。同时，声学超材料可以实现对声波精准的、可设计的操控，以及许多新颖奇特的物理现象，如声准直、声聚焦、声场隐身等，具有重要的理论意义和研究价值。

近年来，行业内一直致力于结合仿生、分形结构和分层结构，开发低频宽带隙的声学超材料，其中具有分层特性的蜂窝状超材料结构表现出良好的带隙特性，引起了广泛的关注。但是，目前受宽带和低频带隙的驱动，蜂窝式分层结构的研究多集中在几何设计和参数拓扑优化，且优化过程较为复杂，不易制备，优化结果仅能阻挡固定频段内的弹性波传播，对于阻挡低频段的弹性波传播仍存在很大的局限性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种层级蜂窝式声学超材料结构，在原有的规则六边形蜂窝结构基础上，引入层级特性，即采用不同大小的正六边形取代原有规则蜂窝的单元壁和单元角，形成一种层级蜂窝式结构框架，克服传统的蜂窝式结构带隙频率高、带宽窄的问题，更好实现低频隔振。

本发明的另一目的是提供上述层级蜂窝式声学超材料结构的优化方法，采用改进的遗传算法对层级蜂窝式结构框架的孔洞进行优化填充，增强振动衰减能力，优化后的结构易于制备，促进声学超材料在低频隔振领域的利用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

本发明提供的一种层级蜂窝式声学超材料结构，其为由层级蜂窝式基体和树脂嵌入体组成的层级蜂窝式结构，通过不同大小的正六边形取代规则六边形蜂窝结构的单元壁和单元角形成层级结构得到，其中所述层级蜂窝式基体内未填充散射体。

本发明提供的上述层级蜂窝式声学超材料结构的优化方法，包括：

(1)采用遗传算法优化树脂嵌入体在所述层级蜂窝式基体中的分布位置；

(2)采用数值计算的方法得出所述层级蜂窝式结构的波传播特性，填充后的层级蜂窝式结构在低频范围内产生宽的带隙，且随着层级数的增加，带隙出现的频率越低；

(3)以上述层级蜂窝式结构为例制作层级蜂窝式声学超材料实物，针对仿真结果进行验证，并对结果以无量纲的形式进行对比分析。

作为优选，所述树脂嵌入体为所述层级蜂窝式声学超材料结构的弹性波散射体。

作为优选，所述树脂嵌入体有若干个，根据遗传算法完全填充于所述层级蜂窝式基体的蜂窝孔洞中，保证弹性波在结构中连续传播，而另一部分孔洞无任何填充。

作为优选，步骤(1)中，所述遗传算法优化树脂嵌入体的优化过程如下：

(i)随机生成初始种群，其中种群个体由0和1组成，每个个体码元对应相应孔洞的填充状态；