[發明專利]一種低頻寬帶壓電聲學超材料布局結構及布局方法

有效

• 申請號: 202011291949.3
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112530395B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 陳圣兵;賀旭照;張浩;宋玉寶;武龍
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心
• 主分類號: G10K11/162
• 分類號: G10K11/162;G10K9/122
• 代理公司: 重慶市信立達專利代理事務所(普通合伙) 50230
• 代理人: 陳炳萍

本發明公開了一種低頻寬帶壓電聲學超材料布局結構及布局方法，涉及聲學超材料設計技術領域，與已有的“矩形”和“十字形”布局相比，可以大幅增加帶隙寬度，在不增加壓電片敷設面積和附加質量的前提下，有效提升壓電聲學超材料振動與噪聲控制性能，具體方案為：包括若干元胞，涉及聲學超材料設計技術領域每個元胞包括壓電片和基體板，所有元胞的基體板共同構成外部基體板，壓電片為四角星型，壓電片的四個角被矩形截斷；基體板正反兩面分別設有兩個壓電片，所述的兩個壓電片并聯后與分流電感電路電性連接；相鄰元胞間的壓電片不接觸。本發明的“星形”布局方案及其設計方法可在相同的壓電片敷設面積和附加質量的情況下，大大提高低頻帶隙寬度。

技術領域

本發明涉及聲學超材料設計技術領域，更具體地說，它涉及一種低頻寬帶壓電聲學超材料布局結構及布局方法。

背景技術

聲學超材料(Metamaterials)是一種人工復合材料，能產生自然界難以得到的反常屬性,例如負質量密度、負彈性模量、負折射、亞波長帶隙等，可以應用到聲隱身、聲聚焦、結構振動與噪聲控制等領域。特別是在低頻范圍內出現的亞波長帶隙可以有效抑制低頻彈性波的傳播，為低頻振動與噪聲控制提供了一種有效的解決方案，具有廣泛的應用前景。

最近，聲學超材料的研究已經擴展到與智能材料的交叉運用，可以使聲學超材料物理特性主動調節，是聲學超材料研究的重要方向之一。其中，壓電聲學超材料易于制作，調節簡便，受到大量學者的廣泛關注。傳統壓電聲學超材料的壓電片一般采用“矩形”布局，如圖1所示，受到壓電材料機電耦合能力較低的限制，“矩形”布局壓電聲學超材料的低頻帶隙寬度較窄，一般只有幾赫茲到十幾赫茲。壓電聲學超材料的帶隙寬度直接決定其振動與噪聲控制頻帶寬度，因此在不增加壓電片敷設面積和附加質量的情況下，擴展帶隙寬度，改善壓電超材料振動與噪聲控制性能具有重要意義。為了增大壓電聲學超低頻帶隙寬度，在2018年提出了一種圖2所示的“十字形”壓電片布局，在其它條件不變的情況下大幅增加了壓電聲學超材料帶隙寬度。

但是在效果上仍不能達到最優。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供一種低頻寬帶壓電聲學超材料布局結構，與已有的“矩形”和“十字形”布局相比，可以大幅增加帶隙寬度，在不增加壓電片敷設面積和附加質量的前提下，有效提升壓電聲學超材料振動與噪聲控制性能。

本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的：

一種低頻寬帶壓電聲學超材料布局結構，包括若干元胞，每個元胞包括壓電片和基體板，所有元胞的基體板共同構成外部基體板，壓電片為四角星型，壓電片的四個角被矩形截斷；基體板正反兩面分別設有兩個壓電片，所述的兩個壓電片并聯后與分流電感電路電性連接；相鄰元胞間的壓電片不接觸。

作為一種優選方案，壓電片材料為壓電陶瓷材料。

在不同的優選方案中，也可采用橡膠、晶體等材料。

作為一種優選方案壓電片厚度τ為0.1～1mm，壓電片距離所在元胞邊界距離γ為0～0.5mm。

一種低頻寬帶壓電聲學超材料布局結構的設計方法，基于上述的低頻寬帶壓電聲學超材料布局結構，包括以下步驟：

S1：根據外部工程需要，確定基體板的厚度h；根據基體板的尺寸和材料，確定壓電片厚度τ；每個元胞設為正方形，根據外部基體板尺寸確定元胞的邊長a；根據附加質量約束，確定壓電片面積填充比λ；根據相鄰壓電片電極的絕緣性要求，確定壓電片距離所在元胞邊界距離γ；

S2：根據目標帶隙位置確定分流電感L，確定方法為：

S3：壓電片的角與水平線夾角為θ，根據壓電片面積填充比λ確定θ：

S4：壓電片包括位于中部的正方形和以正方形為底邊的四個相同梯形，壓電片的梯形上底邊長為δ，梯形的下底邊長為ξ，梯形的高為η；計算方法如下：