[發明專利]聲子晶體中的聲學和彈性平帶形成方法及由其形成的設備

有效

• 申請號: 201410169699.4
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN104123928B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: K·亞諾;S·吳;G·朱;D·班納吉;N·Z.·溫斯特克;P·A.·戴伊米爾
• 申請（專利權）人: 豐田自動車工程及制造北美公司;代表亞利桑那大學的亞利桑那董事會
• 主分類號: G10K11/162
• 分類號: G10K11/162;G10K11/26
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李玲

提供了適于衰減機械振動以及通過介質傳播的聲振動的聲子設備。通過在基體中周期性包括材料域，實現了顯著的振動衰減，其中所述域和基體之間聲音的縱向速度(C_L)和聲音的橫向速度(C_T)的比率的變化分別等于或大于2.0和40。

技術領域

本公開內容總體上針對聲子晶體(PC)，并且更具體地說涉及適于衰減機械振動以及通過介質傳播的聲振動的聲子超構材料(phononic metamaterial)。

背景技術

聲子超構材料使得能夠在不同介質中既操縱彈性波又操縱聲波，從衰減(包括吸收和反射)到耦合、隧道化、負折射和聚焦。特別地，振動(諸如通過固體的矢量機械振動)的衰減或者介質中(諸如空氣或水中)的標量聲振動，對于其中這種振動的存在影響所討論設備或實體(諸如但不限于車輛)預期性能的應用，在技術上是重要的。這種影響的另一個例子是聲音助聽器中高頻(＞2KHz)聲音的衰減。

一般而言，聲學材料可以根據它們對聲音的效果來分類。隔音材料是一種聲學材料，相對于固態材料，它可以截獲并反射通過諸如空氣的液態介質傳播的聲波(換句話說，彈性波)。隔音器通常是具有高表面密度的材料，例如磚和混凝土。

吸聲材料通常是一種多孔的聲學材料，使得空氣傳播的聲波可以傳播到材料中，由于材料內的摩擦，聲波的機械或振動能量通過把能量轉換成熱能而減小。吸聲材料的例子包括開孔泡沫塑料、玻璃纖維、毯子等。

同樣，相對于空氣，減振材料是可以截獲通過固態材料傳播的聲波的聲學材料。由于減振材料的變形，聲波的機械或振動能量通過把聲音的能量轉換成熱能而減小。減振材料通常直接應用到固態材料的表面。減振材料的例子包括橡膠、塑料、含瀝青的或加載乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)的材料等。

關于彈性PC的大部分研究集中在識別絕對和/或部分聲子帶隙、控制縱向和橫向振動的傳播方向以及衰減聲學信號之間的相位關系。其它研究考慮剛性主體旋轉(Mie散射的結果)在修改聲子結構中傳播的批量模式(bulk mode)中所起的作用。旋轉共振模式會與Bragg間隙強烈交互，產生極寬的絕對聲學帶隙。由有限大小的質量和無質量的彈簧組成的一維(1D)集總(lumped)模型可以進一步用于提供對兩維(2D)固體/固態PC中旋轉共振背后底層物理性質的理解。

彈性連續體理論是由Cosserat兄弟建立的，除經典彈性理論中所使用的標準平移自由度之外，這種理論還說明了各個元素的旋轉自由度。在Cosserat模型中，每個材料元素都具有六個自由度-三個用于平移(在xyz方向)，三個用于旋轉(俯仰、側轉和滾轉)。該理論介紹了對扭矩實現與經典彈性應力張量對力所起的作用相同的耦合-應力張量(一個由于旋轉和剪切波的耦合引起的分量)。在一種實施例中，Cosserat連續彈性理論可以用于預測旋轉自由度(例如，旋轉波模式)會強烈修改剪切波的分散。關于旋轉彈性波，特征在于三維(3D)粒狀PC-由預先壓縮的、規則布置的球形彈性粒子組成的結構。在這些當中，Hertz-Mindlin接觸模型可以用于表示PC的元素之間的連接。

在一個相關的方面，車輛的主體結構利用增加的剛度設計制造，以便改進車輛操控性和抵抗沖擊的能力。隨著車輛主體結構剛度增加，通過主體結構的噪聲和振動的發送也增加。為了最小化振動傳輸，減振材料和/或減聲材料板通常放在振動和噪聲最普遍的地方并且有可能影響車輛部件的性能以及它們與乘客的交互。這種方法的成效有限而且噪聲管理仍然是一個不斷增長的問題。

因而，仍然存在對將與例如現代車輛關聯的增加的剛度需求兼容的改進的減聲和減振以及衰減材料的需求。

發明內容

在各種實施例中公開了適于衰減機械振動以及通過介質例如空氣或金屬部件傳播的聲振動的超構材料。