一种圆柱空腔型双层板式声子晶体及其设计方法

技术领域

本发明涉及减振降噪技术领域，特别涉及一种圆柱空腔型双层板式声子晶体及其设计方法。

背景技术

在各行各业，生产加工及设备运行过程中产生的机械振动问题，一直是影响正常生产的重要问题之一。低频机械振动广泛存在于许多实际生产应用中，例如建筑、桥梁、船舶、机械设备运转等，低频机械振动会引起噪声、振动等危害，降低设备的性能及可靠性，严重情况下损伤设备，影响人们的健康和安全。

为了降低低频机械振动的影响，现有技术中通常会引入被动减振元件。常见的被动减振元件例如橡胶、海绵等，对于高频振动的抑制效果较好，但不能很好地抑制机械设备工作过程中所产生的中低频振动。因此，提高低频机械振动的抑制能力，减小低频振动传递是一项十分紧迫的任务。引入局域共振型声子晶体结构，通过散射体的共振作用与弹性波相互抑制而产生带隙，可以较好地获得低频带隙，进行低频减振。

目前，现有局域共振型声子晶体结构主要分为包覆型和凸起型两种，传统的包覆型声子晶体结构不易安装，应用场合非常有限；而传统的凸起型声子晶体散射体处于外露状态，同样存在安装困难的问题，且由于其多采用单侧基体板，结构强度较差，应用范围受到较大程度的限制。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种易安装的声子晶体单元及声子晶体板。

本发明采用的技术方案为：一种声子晶体单元，包括散射体、下柔性结构、下基体板、上柔性结构和上基体板；所述散射体为实心的圆柱体结构；散射体的下端连接环状的下柔性结构，下柔性结构的底部固定在下基体板上，下基体板置于基座上；所述散射体的上端连接环状的上柔性结构，上柔性结构的顶部与上基体板相连；所述上基体板与电机等振动源相连。

按上述方案，所述散射体采用铅材料制作。

按上述方案，所述上基体板和下基体板均为正方形板，且上下基体板的中心线与散射体的轴线共线。

按上述方案，所述上基体板和下基体板对称布置在散射体的上方和下方。

按上述方案，所述上基体板和下基体板均采用环氧树脂材料制作。

按上述方案，所述上基体板和下基体板均为正方形板。

按上述方案，所述上柔性结构和下柔性结构均为环状结构；所述上柔性结构和下柔性结构与散射体同轴配置，二者对称布置在散射体的顶部和底部。

按上述方案，所述上柔性结构和下柔性结构采用硅橡胶材料制作，二者分别通过粘结剂与对应的上基体板、下基体板和散射体固连。

本发明还采用了一种声子晶体板，包括多个如上所述的声子晶体单元，声子晶体单元阵列布置，形成板状结构；各声子晶体单元的上基体板为一体结构，各声子晶体单元的下基体板为一体结构。

本发明的有益效果为：

本发明为双层板式声子晶体单元，顶部和底部分别设置基体板，可克服传统声子晶体安装困难、结构易磨损的缺陷，大大降低了声子晶体单元的安装维护成本；在散射体的顶部和底部分别设置环状的柔性结构，在上下基体板之间形成“软-硬-软”形式的共振单元，拓宽了声子晶体单元带隙范围，声子晶体单元较低的频率范围下减振效果好，有效解决了机械运转过程中低频减振的问题。本发明中，声子晶格单元采用正方形的基体板，可根据实际工程尺寸，对声子晶体单元进行周期排列，构建合适尺寸的声子晶体板。

附图说明

图1为本发明中声子晶体单元的整体结构示意图。

图2为柔性结构与散射体连接示意图。

图3为实施例一中不可约Brillouin区示意图。

图4为实施例一中声子晶体单元的能带结构示意图。

图5为实施例二中声子晶体单元的能带结构示意图。

图6为实施例三中声子晶体板的结构。

图7为不同周期数下的振动传输曲线。

其中：1、上基体板；2、下基体板；3、上柔性结构；4、下柔性结构；5、散射体；6、声子晶体单元。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体方式对本发明作进一步地说明。

如图1所示的一种声子晶体单元6，具体为一种圆柱空腔型双层板式声子晶体单元6，其包括散射体5、下柔性结构4、下基体板2、上柔性结构3和上基体板1；所述散射体5为实心的圆柱体结构；散射体5的下端连接环状的下柔性结构4，下柔性结构4的底部固定在下基体板2上，下基体板2置于基座上；所述散射体5的上端连接环状的上柔性结构3，上柔性结构3的顶部与上基体板1相连；所述上基体板1与电机等振动源相连。

本发明中，所述散射体5采用铅材料制作；散射体5的直径为80mm，高度为30mm。

本发明中，所述上基体板1和下基体板2构成基板结构。所述上基体板1和下基体板2均为正方形板，且上基体板1和下基体板2的中心线均与散射体5的轴线共线。上基体板1和下基体板2对称布置在散射体5的上方和下方。

本发明中，上基体板1和下基体板2均采用环氧树脂材料制作，具有高强度，耐腐蚀、耐高温性能良好的特点。上基体板1和下基体板2均为边长(即晶格常数)为100mm的正方形板，二者厚度均为5mm；上基体板1和下基体板2的正方形表面，便于生产实际中将声子晶体单元6周期排列形成有限周期数的声子晶体板，根据生产实际所需实际尺寸构建声子晶体板。

本发明中，所述上柔性结构3和下柔性结构4均为圆柱空腔型结构，也即环状结构；上下柔性结构4与散射体5同轴配置，二者对称布置在散射体5的顶部和底部。

本发明中，所述上柔性结构3和下柔性结构4采用硅橡胶材料制作，二者分别通过粘结剂与对应的基体板、散射体5固连，安装过程中应保证上柔性结构3、下柔性结构4与散射体5之间的同轴度。所述上柔性结构3和下柔性结构4的外径与散射体5的直径相同，内径为50mm，高度为10mm；上柔性结构3和下柔性结构4设计为环状，便于拓宽声子晶体单元6带隙范围，且声子晶体单元6带隙范围处于较低的频率范围。

本发明中，上柔性结构3和下柔性结构4以散射体5为中心，上下对称分布，即在上下基体板2之间形成“软-硬-软”形式的共振单元。

如图4所示的一种声子晶体板，包括多个如上所述的声子晶体单元6，声子晶体单元6阵列布置，形成板状结构；各声子晶体单元6的上基体板1为一体结构，各声子晶体单元6的下基体板2为一体结构。

实施例一

如图1所示的声子晶体单元6，上柔性结构3和下柔性结构4的外径均为80mm，内径均为50mm，高度均为10mm；散射体5的直径为80mm，高度为30mm；上基体板1和下基体板2均为边长(即晶格常数)为100mm的正方形板，二者厚度均为5mm。所述声子晶体单元6采用正方形对称晶格，声子晶体单元6只在XY平面方向(横向和纵向分别对应X方向和Y方向，Z方向为散射体5的轴向)上存在周期性，其不可约Brillouin区如图3中的阴影部分所示，将波矢k遍历M-Γ-X-M边界即可获得其能带结构。

如图4所示为本实施例中声子晶体单元6的能带结构示意图(通过现有技术即可获得)，通过COMSOL软件对构建的声子晶体单元6模型进行边界设置，计算其能带结构(此为现有技术)。声子晶体在49.87Hz～66.93Hz范围内没有任何色散曲线，即在此范围内无对应的本征模式，即是完全带隙；在44.35Hz～158.87Hz范围内形成了弯曲波带隙，也即该声子晶体单元6具有较宽的低频带，在相对较低的频率范围(低于500Hz)内具有较优的减振效果。

实施例二

本实施例中，声子晶体单元6尺寸如表1所示，声子晶体单元6的能带结构图如图5所示，声子晶体单元6在48.52Hz～206.21Hz范围内形成了弯曲波带隙，在51.49Hz～83.02Hz范围内形成了完全带隙，与实施例一所述的声子晶体单元6减振效果及区间基本符合，本尺寸更适于整体声子晶体板仿真，故采用此声子晶体单元6周期排列组建声子晶体板(也即实施例三所述的声子晶体板)。

表1实施例二中声子晶体单元6的相关参数

实施例三

如图6所示的声子晶体板，沿横向和纵向(也即横向和纵向分别对应X方向和Y方向，Z方向为散射体的轴向)，依次排布等周期数的声子晶体单元6(实施例二所述的声子晶体结构)，构成声子晶体板。如图6所示，在声子晶体板左侧面设置激励源施加激励，右侧面测算系统响应，构建振动传递损失函数

经仿真计算分析，如图7所示，当激励源施加的加速度激励信号在45Hz～210Hz时，弯曲波的衰减程度明显增大，与声子晶体单元6弯曲波带隙范围48.52Hz～206.21Hz相近，结构可行，且证实由声子晶体单元6周期排列构建的声子晶体板在较低的频率范围内具有良好的减振效果。

本发明中，声子晶体单元6采用双层板结构，便于安装；设置上下基体板2和上下柔性结构4，在上下基体板2之间采用“软-硬-软”形式的共振单元，同时散射体5的上部和下部分别设置圆柱空腔型(也即环状)的柔性结构，拓宽了声子晶体单元6的带隙范围，声子晶体单元6带隙范围处于较低的频率范围内，并构建声子晶体单元6模型，通过仿真证实其具有较宽的带隙，且带隙处于较低的频率范围内。本发明周期排列声子晶体单元6，构建声子晶体板，利用仿真证实声子晶体板与声子晶体单元6具有相似的弯曲波带隙，声子晶体板在较低的频率单位内具有良好的减振效果。在生产应用中可根据实际生产所需尺寸，选择合适的周期数及单元晶格常数，构建合适尺寸的声子晶体板。本发明能够有效进行机械系统低频减振，且使声子晶体单元带隙范围处于较低的频率范围内，适用于工业应用场合，结构便于安装，降低维护成本。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。