[發明專利]一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結構及制作方法

無效

• 申請號: 201010537986.8
• 申請日: 2010-11-10
• 公開（公告）號: CN101989422A
• 公開（公告）日: 2011-03-23
• 發明（設計）人: 汪越勝;王艷鋒
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G10K11/16
• 分類號: G10K11/16
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 毛燕生

技術領域

本發明涉及一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結構及制作方法，屬于凝聚態物理，涉及了機械、聲學、力學和材料學等領域。

背景技術

對于航空、航天等方面的在役高精密儀器來說，其對加工精度和工作精度的要求都很高。一方面，需要為高精密加工系統提供一定頻率范圍內的無振動加工環境，保證較高的加工精度要求；另一方面，要為特殊儀器或設備提供一定頻率范圍內的無振動工作環境，提高工作精度和可靠性，同時延長其工作壽命。因此，如何獲得特定頻率范圍內的無振動環境成為頻率控制工作者面臨的一項關鍵性課題。

近年來，一種人造周期性復合結構-聲子晶體受到人們的廣泛關注。其中傳播的彈性波由于受到彈性常數的周期性調制，可能會產生聲子帶隙，即一定頻率范圍的彈性波傳播被抑制。聲子晶體的這種聲學特性使得其具有廣泛的應用前景，例如用于環境的減震降噪、制作新的聲濾波器、頻率分離器，耦合器、聲波導等。因此，聲子晶體已成為材料學、物理學、聲學、力學及其它相關學科活躍的研究領域之一。

聲子帶隙的存在是聲子晶體廣泛應用的基礎，這就要求人們了解聲子晶體帶隙的調制機理。研究表明，聲子晶體帶隙主要受材料參數和結構幾何參數的影響，其中豐富的幾何參數為我們設計各種各樣的聲子晶體提供了可能。對于由周期性排列的孔(真空或填充空氣)組成的聲子晶體，其帶隙特性主要由結構幾何參數來決定，因為制作簡單而備受關注。大量科技工作者對該類聲子晶體進行了研究，但主要考慮凸截面型孔的情況，并且要獲得較寬的聲學帶隙需要較大的孔隙率。

發明內容

為了克服現有結構在既定孔隙率下不能聲學特性要求的不足，本發明的目的在于提供一種含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結構及制作方法。該結構在既定孔隙率下，不但能滿足結構聲學特性的要求，達到隔音減振的效果，而且能獲得較寬的聲學帶隙。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結構，由非凸型截面孔周期性排列組成。

非凸型截面孔在結構周期方向呈密排形式排列。

非凸型截面孔的面積由結構聲學特性來確定，以獲得較寬的聲學帶隙為標準確定其具體尺寸。

一種含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結構的制作方法，含有以下步驟：

根據結構聲學特性的要求，確定合適的晶格常數；在此基礎上，根據結構要求的孔隙率，計算非凸型截面的尺寸；調整非凸型截面孔的對稱性，使其在結構周期方向上呈密排結構，從而達到獲得較寬聲學帶隙的聲子功能材料結構。

具體還包括以下步驟：

步驟1；晶格常數的確定：實際結構要求在一定聲學頻率范圍內具有禁帶效應，但由于結果的無量綱化，聲學頻率f_acoustic與晶格常數a呈反比關系，即f_acoustic＝Ω×c_t/a(Ω為無量綱的約化頻率或簡約頻率)，故晶格常數的確定應以滿足結構要求的聲學特性為標準；

c_t為基體中橫波波速；

步驟2；非凸型截面孔尺寸的確定：記結構的孔隙率為f，非凸型截面孔的截面積為A_s，聲子功能材料一個原胞的面積為A，則A_s＝c²-(c-b)²，A＝a²，f＝A_s/A＝(c²-(c-b)²)/a²＝(2bc-b²)/a²，其中b和c為孔截面尺寸；根據結構要求的孔隙率f和步驟1確定的晶格常數a，并利用上述公式，得到孔截面尺寸b和c的關系，通過調整b和c的大小改變孔的凸凹特性；此為使結構獲得較寬聲學帶隙的一個充分條件；

步驟3；結構對稱性的設計：對于步驟2確定的非凸型截面孔，通過旋轉操作來調整孔的對稱軸方向，使孔在結構周期方向呈密排形式分布，即使任意相鄰的孔在結構周期方向的距離最小；

步驟4；新型聲子功能材料結構的制作：根據步驟2確定的孔截面尺寸和步驟3設計的結構對稱性，在要求的基體材料上鑿孔；非凸型截面孔按正方晶格并呈密排形式分布，相鄰孔截面形心距離為a；

步驟5；對于不同的結構對聲學特性的要求，確定合適的晶格常數；之后，重復步驟2，根據結構孔隙率(f＜0.5)的要求，確定該非凸型截面孔的尺寸；接著完全重復步驟3和4，進行結構對稱性的設計和材料結構的制作，即可得到滿足該要求的新型聲子功能材料結構。