[发明专利]声子晶体、声子晶体器件及其制备和测试方法

说明书

本发明提供一种声子晶体，声子晶体器件以及声子晶体的制备方法。所述声子晶体具有分形凹角蜂窝结构，所述分形凹角蜂窝结构由凹角六边形的单胞结构组成，并且所述六边形结构的边长为弹性波波长的十分之一到百分之一。本发明的分形凹角蜂窝结构不仅具有高强度、高刚度、强韧性的力学性能，还具有负泊松比的特性，使得该分形凹角蜂窝结构声子晶体可以实现较好的低频、宽频声波控制和声波超常传输。

技术领域

本发明涉及声子晶体技术领域，更具体地，涉及一种声子晶体，声子晶体器件及其制备和测试方法。

背景技术

声子晶体是一种具有弹性波禁带的周期性结构功能材料，声子晶体的带隙特征对减振降噪具有重要意义。蜂窝结构作为一种典型的复合结构，由于比强度高、抗冲击性好、减振等优点，广泛应用于航空航天、车辆、舰船和建筑等工程减振降噪领域。蜂窝结构中凹角和旋转机构的存在导致负泊松比特性，在一些工程中的应用具有重要意义。

然而，凹角蜂窝结构的声学隔振性能较差，其带隙处于高频范围，无法在应用中实现结构在低频的振动以及噪声控制。并且，因为局域共振的本征属性，只能在共振频率处实现对声波的控制，这就导致产生的频带较窄，在宽频声波控制的应用中带来了困难。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种声子晶体，所述声子晶体具有分形凹角蜂窝结构，不仅具有高强度、高刚度、强韧性的力学性能，还具有负泊松比的特性，可以实现较好的低频、宽频声波控制和声波超常传输。

具体地，本发明是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供了一种声子晶体，用于减振降噪，所述声子晶体具有分形凹角蜂窝结构，所述分形凹角蜂窝结构由凹角六边形的单胞结构组成，并且所述六边形结构的边长为弹性波波长的十分之一到百分之一。

进一步地，所述分形凹角蜂窝结构是二阶分形凹角蜂窝结构或三阶分形凹角蜂窝结构，其中所述二阶分形凹角蜂窝结构是将分形凹角蜂窝结构的顶点替换为较小的凹角六边形而形成的结构，所述三阶分形凹角蜂窝结构是将所述二阶分形凹角蜂窝结构的顶点替换为较小的凹角六边形而形成的结构。

进一步地，在所述分形凹角蜂窝结构顶点处填充有介质，所述介质包括钢材。

进一步地，所述声子晶体的材质为ABS工程塑料。

进一步地，所述分形凹角蜂窝结构的壁厚范围为0.05～0.2cm，凹角角度范围为53°～68°。

进一步地，所述分形凹角蜂窝结构的高度比范围为1～4，其中所述高度比为凹角结构高度与顶点分形凹角结构高度的比值。

第二方面，本发明提供了一种声子晶体器件，所述声子晶体器件包括如第一方面所述的声子晶体。

第三方面，本发明提供了一种声子晶体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

确定分形凹角蜂窝结构的尺寸参数，利用三维软件构建分形凹角蜂窝结构；

将所构建的分形凹角蜂窝结构导入仿真软件，计算分形结构的色散曲线以及泊松比数值；

将所述分形凹角蜂窝结构利用声学超材料进行3D打印；

搭建实验平台对所打印的分形凹角蜂窝结构进行测试，获得所述分形凹角蜂窝结构的声传输损耗；

将获得的声传输损耗与仿真数值进行对比，当二者数值误差在阈值范围内制备完成。

第四方面，本发明提供一种用于测试如第一方面所述的声子晶体的减振降噪特性的方法，该方法包括：通过信号发生装置产生所需的弹性波电信号；通过高压放大装置对所述信号发生装置的弹性波电信号进行放大；压电叠堆在高压放大装置放大后的弹性波电信号作用下产生弹性波并能作用于受振对象；通过数据分析软件系统对所述声子晶体的减振降噪特性进行分析。