專利名稱：一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于凝聚態(tài)物 理，涉及了機(jī)械、聲學(xué)、力學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于航空、航天等方面的在役高精密儀器來(lái)說，其對(duì)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(tǒng)提供一定頻率范圍內(nèi)的無(wú)振動(dòng)加工環(huán)境，保證較高 的加工精度要求；另一方面，要為特殊儀器或設(shè)備提供一定頻率范圍內(nèi)的無(wú)振動(dòng)工作環(huán)境， 提高工作精度和可靠性，同時(shí)延長(zhǎng)其工作壽命。因此，如何獲得特定頻率范圍內(nèi)的無(wú)振動(dòng)環(huán) 境成為頻率控制工作者面臨的一項(xiàng)關(guān)鍵性課題。近年來(lái)，一種人造周期性復(fù)合結(jié)構(gòu)-聲子晶體受到人們的廣泛關(guān)注。其中傳播的 彈性波由于受到彈性常數(shù)的周期性調(diào)制，可能會(huì)產(chǎn)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(xué)特性使得其具有廣泛的應(yīng)用前景，例如用于環(huán)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(dǎo)等。因此，聲子晶體已成為材料學(xué)、物 理學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科活躍的研究領(lǐng)域之一。聲子帶隙的存在是聲子晶體廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，這就要求人們了解聲子晶體帶隙的 調(diào)制機(jī)理。研究表明，聲子晶體帶隙主要受材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的影響，其中豐富的幾 何參數(shù)為我們?cè)O(shè)計(jì)各種各樣的聲子晶體提供了可能。對(duì)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(jié)構(gòu)幾何參數(shù)來(lái)決定，因?yàn)橹谱骱?jiǎn)單而備受關(guān) 注。大量科技工作者對(duì)該類聲子晶體進(jìn)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(xué)帶隙需要較大的孔隙率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在既定孔隙率下不能聲學(xué)特性要求的不足，本發(fā)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(jié)構(gòu)及制作方法。該結(jié)構(gòu)在既定孔隙率下， 不但能滿足結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求，達(dá)到隔音減振的效果，而且能獲得較寬的聲學(xué)帶隙。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)，由非凸型截面孔周期性排列組成。非凸型截面孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式排列。非凸型截面孔的面積由結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性來(lái)確定，以獲得較寬的聲學(xué)帶隙為標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)的制作方法，含有以下步驟根據(jù)結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的孔 隙率，計(jì)算非凸型截面的尺寸；調(diào)整非凸型截面孔的對(duì)稱性，使其在結(jié)構(gòu)周期方向上呈密排 結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到獲得較寬聲學(xué)帶隙的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。
具體還包括以下步驟步驟1 ；晶格常數(shù)的確定實(shí)際結(jié)構(gòu)要求在一定聲學(xué)頻率范圍內(nèi)具有禁帶效應(yīng)，但 由于結(jié)果的無(wú)量綱化，聲學(xué)頻率fa。。usti。與晶格常數(shù)a呈反比關(guān)系，即fa。。usti。= ΩΧ0 /Β(Ω 為無(wú)量綱的約化頻率或簡(jiǎn)約頻率)，故晶格常數(shù)的確定應(yīng)以滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標(biāo) 準(zhǔn)；Ct為基體中橫波波速；步驟2 ；非凸型截面孔尺寸的確定記結(jié)構(gòu)的孔隙率為f，非凸型截面孔的截面積 為K,聲子功能材料一個(gè)原胞的面積為A，則As = C2- (c-b)2，A = a2，f = KJk = (c2- (c_b)2) / a2 = (2bc_b2)/a2，其中b和c為孔截面尺寸；根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的孔隙率f和步驟1確定的晶 格常數(shù)a，并利用上述公式，得到孔截面尺寸b和c的關(guān)系，通過調(diào)整b和c的大小改變孔的 凸凹特性；此為使結(jié)構(gòu)獲得較寬聲學(xué)帶隙的一個(gè)充分條件；步驟3 ；結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的設(shè)計(jì)對(duì)于步驟2確定的非凸型截面孔，通過旋轉(zhuǎn)操作來(lái)調(diào) 整孔的對(duì)稱軸方向，使孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式分布，即使任意相鄰的孔在結(jié)構(gòu)周期 方向的距離最小；步驟4 ；新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作根據(jù)步驟2確定的孔截面尺寸和步驟3設(shè) 計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)于不同的結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)；之后，重復(fù)步 驟2，根據(jù)結(jié)構(gòu)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(fù)步驟3 和4，進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的設(shè)計(jì)和材料結(jié)構(gòu)的制作，即可得到滿足該要求的新型聲子功能材料 結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是，在滿足結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性要求的同時(shí)，獲得較寬的聲學(xué)帶隙，結(jié) 構(gòu)中僅含周期性分布的非凸型截面孔，加工簡(jiǎn)單。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以 及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解， 構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā) 明的不當(dāng)限定，其中圖1是本發(fā)明的原理圖。圖2是非凸型截面孔的示意圖。圖3是含非凸型截面孔新型聲子功能材料的一個(gè)原胞的示意圖。圖4是含非凸型截面孔新型聲子功能材料的構(gòu)造圖。圖5是第一個(gè)實(shí)施例的能帶結(jié)構(gòu)圖(凸型截面孔)。圖6是第一個(gè)實(shí)施例的能帶結(jié)構(gòu)圖(非凸型截面孔)。圖7是第二個(gè)實(shí)施例的能帶結(jié)構(gòu)圖(凸型截面孔)。圖8是第二個(gè)實(shí)施例的能帶結(jié)構(gòu)圖(非凸型截面孔)。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1至圖8對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。實(shí)施例1 含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征是具體還包括以下 步驟步驟1 ；晶格常數(shù)的確定在聲子功能材料能帶結(jié)構(gòu)圖中，橫坐標(biāo)為波矢，縱坐標(biāo) 為頻率；通常使用基體中波長(zhǎng)等于晶格常數(shù)的波所對(duì)應(yīng)的頻率(ct/a，ct為基體中橫波波 速，a為圖3所示正方排列聲子功能材料的晶格常數(shù)，即圖4所示聲子功能材料原胞的邊 長(zhǎng))作為基準(zhǔn)對(duì)本征頻率(Hz)的具體值進(jìn)行簡(jiǎn)約化，得到無(wú)量綱的約化頻率或簡(jiǎn)約頻率 (記為Ω)，這就使得計(jì)算結(jié)果與具體的晶格常數(shù)無(wú)關(guān)。實(shí)際結(jié)構(gòu)要求在一定聲學(xué)頻率范 圍內(nèi)具有禁帶效應(yīng)，但由于結(jié)果的無(wú)量綱化，聲學(xué)頻率fa。。usti。與晶格常數(shù)a呈反比關(guān)系，即 facoustic = Ω X ct/a，故晶格常數(shù)的確定應(yīng)以滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標(biāo)準(zhǔn)。步驟2 ；非凸型截面孔尺寸的確定記結(jié)構(gòu)的孔隙率為f，非凸型截面孔的截面積 為K,聲子功能材料一個(gè)原胞的面積為A，則As = C2- (C-b)2，A = a2，f = KJk = (c2- (c_b)2) / a2 = (2bc_b2)/a2，其中b和c為圖2所示的孔截面尺寸。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的孔隙率f和步驟 1確定的晶格常數(shù)a，并利用上述公式，可以得到孔截面尺寸b和c的關(guān)系，通過調(diào)整b和c 的大小改變孔的凸凹特性。此為使結(jié)構(gòu)獲得較寬聲學(xué)帶隙的一個(gè)充分條件。步驟3 ；結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的設(shè)計(jì)對(duì)于步驟2確定的非凸型截面孔，通過旋轉(zhuǎn)操作來(lái)調(diào) 整孔的對(duì)稱軸方向，如圖4所示。這樣可使孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式分布，即使任意相 鄰的孔在結(jié)構(gòu)周期方向的距離最小。此為使結(jié)構(gòu)獲得較寬聲學(xué)帶隙的又一充分條件。步驟4 ；新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作根據(jù)步驟2確定的孔截面尺寸和步驟3設(shè) 計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)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 ；方法的適用性對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常 數(shù)。之后，重復(fù)步驟2的工作，根據(jù)結(jié)構(gòu)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(fù)步驟3和4中的工作，進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的設(shè)計(jì)和材料結(jié)構(gòu)的制作，即可 得到滿足該要求的新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2 在圖1中，確定結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)時(shí)，要滿足對(duì)結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求；孔截面示意圖 如圖2所示，根據(jù)要求的孔隙率和確定的晶格常數(shù)，確定孔截面尺寸的關(guān)系，通過調(diào)整孔截 面尺寸的大小和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，形成如圖3所示的含非凸型截面孔的新型聲子功能材料結(jié) 構(gòu)，此時(shí)要滿足孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式排列，圖4所示為圖3的原胞示意圖。在圖5、圖6所示的實(shí)施例中，孔隙率為0.3675，左圖為凸型截面孔，右圖為非凸型 截面孔。圖中橫坐標(biāo)為簡(jiǎn)約波矢量，縱坐標(biāo)為簡(jiǎn)約頻率，陰影部分表示完全聲學(xué)帶隙(即該 頻率范圍內(nèi)的聲波在結(jié)構(gòu)中的傳播被抑制)。對(duì)于凸型截面孔，結(jié)構(gòu)無(wú)帶隙產(chǎn)生。對(duì)于非 凸型截面孔，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了兩個(gè)完全帶隙，帶寬分別為Δ Co1 = 0.3(a/ct)和Δ ω2 = 0. 12 (a/
Ct)。
在圖7、圖8所示的實(shí)施例中，孔隙率為0.45，左圖為凸型截面孔，右圖為非凸型截 面孔。對(duì)于凸型截面孔，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)完全帶隙，帶寬為Δω =0. l(a/ct)。對(duì)于非凸型截 面孔，有兩個(gè)完全帶隙產(chǎn)生，帶寬分別為Δ CO1 = 0. 29(a/ct)和Δ ω2 = 0. ll(a/ct)。由以上兩個(gè)實(shí)施例可以看出，在孔隙率相同的情況下，非凸型截面孔的引入使結(jié) 構(gòu)的使最低帶隙的下邊界下移，從而使結(jié)構(gòu)獲得較寬的聲學(xué)帶隙。如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒有脫離本發(fā) 明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說是顯而易見的。因此，這 樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征是含有以下步驟根據(jù)結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的孔隙率，計(jì)算非凸型截面的尺寸；調(diào)整非凸型截面孔的對(duì)稱性，使其在結(jié)構(gòu)周期方向上呈密排結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到獲得較寬聲學(xué)帶隙的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征是 還包括以下步驟步驟1 ；晶格常數(shù)的確定實(shí)際結(jié)構(gòu)要求在一定聲學(xué)頻率范圍內(nèi)具有禁帶效應(yīng)，但由于 結(jié)果的無(wú)量綱化，聲學(xué)頻率facustic與晶格常數(shù)a呈反比關(guān)系，即facustic= Ω×cl/Β(Ω為 無(wú)量綱的約化頻率或簡(jiǎn)約頻率)，故晶格常數(shù)的確定應(yīng)以滿足結(jié)構(gòu)要求的聲學(xué)特性為標(biāo)準(zhǔn)； Ct為基體中橫波波速；步驟2 ；非凸型截面孔尺寸的確定記結(jié)構(gòu)的孔隙率為f，非凸型截面孔的截面積為K’ 聲子功能材料一個(gè)原胞的面積為 A，則 As = c2-(c-b)2, A = a2, f = As/A = (c2-(c-b)2)/a2 =(2bc_b2)/a2，其中b和c為孔截面尺寸；根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的孔隙率f和步驟1確定的晶格 常數(shù)a，并利用上述公式，得到孔截面尺寸b和c的關(guān)系，通過調(diào)整b和c的大小改變孔的凸 凹特性；此為使結(jié)構(gòu)獲得較寬聲學(xué)帶隙的一個(gè)充分條件；步驟3 ；結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的設(shè)計(jì)對(duì)于步驟2確定的非凸型截面孔，通過旋轉(zhuǎn)操作來(lái)調(diào)整孔 的對(duì)稱軸方向，使孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式分布，即使任意相鄰的孔在結(jié)構(gòu)周期方向 的距離最小；步驟4 ；新型聲子功能材料結(jié)構(gòu)的制作根據(jù)步驟2確定的孔截面尺寸和步驟3設(shè)計(jì)的 結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)于不同的結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)；之后，重復(fù)步驟2， 根據(jù)結(jié)構(gòu)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(fù)步驟3和4， 進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的設(shè)計(jì)和材料結(jié)構(gòu)的制作，即可得到滿足該要求的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制作的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其特征是非凸型截面 孔在結(jié)構(gòu)周期方向呈密排形式排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制作的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其特征是由非凸型截 面孔周期性排列組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法制作的聲子功能材料結(jié)構(gòu)，其特征是非凸型截面 孔的面積由結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性來(lái)確定，以獲得較寬的聲學(xué)帶隙為標(biāo)準(zhǔn)確定其具體尺寸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含非凸型截面孔的聲子功能材料結(jié)構(gòu)及制作方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的要求，確定合適的晶格常數(shù)；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的孔隙率，計(jì)算非凸型截面的尺寸；調(diào)整非凸型截面孔的對(duì)稱性，使其在結(jié)構(gòu)周期方向上呈密排結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到獲得較寬聲學(xué)帶隙的聲子功能材料結(jié)構(gòu)。聲子功能材料結(jié)構(gòu)由周期性排列的非凸型截面孔組成。它是在確定結(jié)構(gòu)孔隙率的情況下，引入非凸型截面孔；通過設(shè)計(jì)孔的尺寸和對(duì)稱性，使結(jié)構(gòu)獲得較寬的聲學(xué)帶隙。本發(fā)明的有益效果是，在滿足結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性要求的同時(shí)，獲得較寬的聲學(xué)帶隙，結(jié)構(gòu)中僅含周期性分布的非凸型截面孔，加工簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G10K11/16GK101989422SQ20101053798
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者汪越勝, 王艷鋒 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)