[發明專利]一種局域共振型聲子晶體的輕量化設計方法

有效

• 申請號: 202010149836.3
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111400945B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 陳傳敏;郭兆楓;劉松濤;馮洪達
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G10K11/172
• 代理公司: 北京盛詢知識產權代理有限公司 11901
• 代理人: 張海青

本發明公開一種局域共振型聲子晶體的輕量化設計方法，包括如下步驟：確定輕量化聲子晶體薄板的材料組成；建立能帶計算模型；建立隔聲仿真模型；確定隔聲仿真模型包含的元胞數；在能帶計算模型中，計算該結構下，局域共振性能釋放充分的物理參數；在隔聲仿真模型中，驗證方法正確性。本發明改變以往以帶隙寬度的擴展，以帶隙下邊界作為研究對象，通過能帶理論結合數值計算的方法，使局域共振型聲子晶體的局域共振性能得到最大釋放，指導聲子晶體的輕量化設計，這種輕量化設計既可以使局域共振型聲子晶體的隔聲性能保持高效，又可以使其重量及體積大大減小。

技術領域

本發明涉及聲子晶體設計方法領域，特別是涉及一種局域共振型聲子晶體的輕量化設計方法。

背景技術

低頻噪聲在很長的時間內，一直困擾著人們，具有波長長、衰減慢、對人體危害更大的特點。常規材料如吸聲棉、多孔材料等雖然降噪頻域寬度較大，但其低頻降噪效果甚微。隔聲墻、高密度材料等雖然低頻隔聲效果較好，但有重量大、體積大的缺點。穿孔板、微穿孔板等雖然可以以較低質量控制低頻噪聲，但都需要很厚的空腔作為共振腔，占用大量空間。此時，聲子晶體的出現則給低頻噪聲控制帶來了曙光。但目前對聲子晶體的研究基本停留在理論階段，學術界對聲子晶體的研究已經進行了10多年，大多都是基于能帶理論進行研究。在理論方面的研究日臻完善的今天，如何將聲子晶體應用到實際的工程成為下一步科研工作者的目標。

聲子晶體是作為光子晶體這一概念的類比而提出的。1992年，M.M.Sigalas和E.N.Economou等人首次在理論上證實了將球形材料埋入某一基體材料后形成的周期性點陣結構具有帶隙特性，并在金、鉛球與鋁或者硅基體所形成的復合材料結構中同樣證實了帶隙的存在。1993年，M.S.Kushwaha等人通過采用平面波方法對鎳柱在鋁合金基體中形成的復合結構進行計算，獲得了聲波帶隙，并進一步明確提出了“聲子晶體”的概念——它是由兩種或兩種以上的彈性介質材料周期性排列成的能夠展示出聲學帶隙或禁帶的人工復合型結構。在聲子晶體中，根據散射體維度，可以分為一維聲子晶體、二維聲子晶體和三維聲子晶體。

聲子晶體帶隙產生的機理源于布拉格散射機理和局域共振機理。在基于布拉格散射的聲子晶體結構中，聲波被周期性排列的散射體所散射，使得在某段特定入射頻率的聲波經散射后產生相位相消，最終導致該頻率范圍內的聲波或彈性波無法透過該聲子晶體，這個范圍就叫做帶隙。在這類結構中，僅當散射體間距與波長的關系滿足布拉格條件時才產生帶隙，因此帶隙一般出現于波長與晶格常數相當的頻率區域。由于其色散關系對散射體的間距非常敏感，因此，可在周期結構的基礎上通過移除一個或一排散射體來獲得點缺陷或線缺陷，從而實現共振微腔及波導結構。而在局域共振型結構中，帶隙可以出現于波長遠大于晶格常數的頻率區域，在一定的條件下(如深度亞波長條件下)其帶隙的位置更敏感于振子的共振性質而不是具體的晶格結構，也就是說可以通過采用改變共振體性質而非晶格尺寸的方法來實現帶隙。基于這些現象，局域帶隙通常被理解為能級排斥或Fano干涉的結果，也就是說帶隙的打開完全源于共振子個體而非集體相互作用。

局域共振型聲子晶體由于需要依靠局域共振進行聲能量的耗散，而共振頻率與結構的慣量成反比，因此在低頻降噪領域，不可避免的使聲子晶體的散射體質量及體積隨著擬控制頻率的下降而變得更大。目前，聲子晶體的設計研究方法都是圍繞帶隙寬度展開的，可是對于局域共振型聲子晶體由于其共振的降噪機理，帶隙內有效隔聲區域只存在于帶隙起點附近。因此一味的追求更大的帶隙寬度，并不能使其隔聲性能有相應的提升，并使聲子晶體的設計越來越復雜繁重，脫離工程應用實際。

發明內容

本發明的目的是提供一種局域共振型聲子晶體的輕量化設計方法，改變以往以帶隙寬度的擴展作為研究方向，基于“局域共振性能釋放”概念，以帶隙下邊界作為研究對象，通過能帶理論結合數值計算的方法，使局域共振型聲子晶體的局域共振性能得到最大釋放，以解決上述現有技術存在的問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：本發明提供一種局域共振型聲子晶體的輕量化設計方法，包括如下步驟：