一簇可形成线缺陷周期复合结构的超胞元的制作方法

[0001]
本发明涉及一簇超胞元，特别是涉及一簇可形成线缺陷周期复合结构的超胞元。


背景技术：

[0002]
随着经济和社会各方面的高速发展，交通运输、机械运行、人类生活娱乐、建筑施工等方面产生的振动和噪声问题日益受到人们广泛的关注。按照是否需要使用能源来分类，传统的抑制振动方法主要包括被动控制、主动控制等。
[0003]
20世纪90年代科学家们发现声弹性波在具有周期性结构的弹性材料上传播会导致一定频率范围内的弹性波无法传播，因此提出声子晶体(周期复合结构)的概念。声子晶体是以单胞作为基本单元进行周期性排列的结构，即其材料的密度和弹性参数是呈周期性分布的。声子晶体的特点是在特定频率范围内的弹性波经过声子晶体会大幅度衰减以至于无法传播，这个频率范围称为声子晶体的带隙；对于带隙外其他频率，弹性波理论上可以无损地通过声子晶体来继续传播，这些频率范围称为声子晶体的通带，而禁带和通带的范围可以通过改变该声子晶体的结构、材料等参数来进行相应的调节。声子晶体的该特性恰好弥补了被动控制和主动控制等传统抑制振动方法的缺陷，不失为一种解决噪声和振动的良好途径和方法。
[0004]
在声子晶体中引入缺陷，如改变某些散射体的大小、形状、材料等，则可能在原来无缺陷晶体的带隙中出现声子能带，称之为缺陷能带，相应的状态称为缺陷态。缺陷态声波的分布具有局域性，即声波被限制在缺陷附近传播。声子晶体缺陷态的局域性有实用价值，如可用于声波滤波器和声波波导。如果声子晶体中的缺陷分布在一条线上，则称为线缺陷声子晶体，此时可能存在声波只沿线缺陷传播的缺陷能带，缺陷模的能量被局域在线缺陷中传播，因而构成声波导。因此声子晶体缺陷态的研究为利用人工结构控制波提供了有效途径，对于声滤波器、声波导等声学器件的设计和制造具有重大意义。


技术实现要素：

[0005]
技术问题：本发明的目的是提供一簇可形成线缺陷周期复合结构的超胞元，通过几种超胞元相互组合，形成具有线缺陷的周期复合结构，从而使缺陷频率的弹性波在基体中只能沿着线缺陷传播，实现弹性波导。
[0006]
技术方案：本发明的一簇可形成线缺陷周期复合结构的超胞元有a、b、c、d、e、f、g、h共8种，其中的每一种超胞元均包括基体，以及按照拟周期性排列凸起或者嵌入布置在所述基体上的普通散射体振子。
[0007]
所述基体上还设有缺陷散射体振子。
[0008]
所述普通散射体振子形状是圆柱体、长方体或者正多边体。
[0009]
所述普通散射体振子是单组元或者二组元，在基体上布置方式是嵌入型、单侧凸起型或者双侧凸起型。
[0010]
所述普通散射体振子的形状、组元数量、布置方式、大小和材料均相同。
[0011]
所述普通散射体振子为二组元，在基体上按照凸起型布置时，内层振子和外层振子的半径或者边长相等，高度相等或不等。
[0012]
所述缺陷散射体振子存在时，缺陷散射体振子与普通散射体振子的形状、组元数量、布置方式、大小和材料中的某一项或者某几项不相同。
[0013]
所述基体与普通散射体振子、缺陷散射体振子之间或者普通散射体振子以及缺陷散射体振子为二组元时，振子内层与振子外层之间采用粘贴或者焊接的连接方式。
[0014]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
[0015]
1)周期结构本身具有带隙特性，带隙频率范围内的弹性波在周期复合结构中传播将受到显著的抑制，因此形成的该周期复合结构能达到减振的目的。
[0016]
2)该簇超胞元形成的具有线缺陷的周期复合结构中，缺陷频率的弹性波只能沿着线缺陷传播，可以实现弹性波导。
[0017]
3)传统的弹性波或声波校准元件尺寸大且造价高，使用该簇超胞元形成的带有线缺陷的周期复合结构则可以减小尺度，降低造价。同时制作方便，便于标准化生产。
附图说明
[0018]
图1为本发明二组元长方体形的普通散射体振子，单组元圆柱形的缺陷散射体振子在基体上嵌入布置的一簇超胞元俯视图；
[0019]
图2为本发明缺陷散射体振子不存在，二组元圆柱体形的普通散射体振子，在基体上凸起布置的一簇超胞元示意图；
[0020]
图3为本发明6个c型超胞元，3个b型超胞元形成的直线型缺陷周期复合结构示意图；
[0021]
图4为本发明1个b型超胞元，5个c型超胞元，1个d型超胞元，1和e型超胞元和1个f型超胞元形成的折线型缺陷周期复合结构示意图；
[0022]
图5为本发明1个a型超胞元，1个b型超胞元，3个c型超胞元，1个d型超胞元，1和e型超胞元和1个g型超胞元和1个h型超胞元形成的分支型缺陷周期复合结构示意图；
[0023]
图6为本发明缺陷频率的弹性波在直线型缺陷周期复合结构中的传播示意图。
[0024]
图中有：基体1、普通散射体振子2-1、缺陷散射体振子2-2。
[0025]
h
1
是普通凸起型散射体振子为二组元时，振子内层的高度，h
2
是普通凸起型散射体振子为二组元时，振子外层的高度，e是基体的厚度，
[0026]
d
0
是圆柱形普通凸起型散射体的直径，d
1
是圆柱形普通嵌入型散射体的直径，d
2
是圆柱形缺陷嵌入型散射体的直径，
[0027]
d
1
是正方体形普通嵌入型散射体的外边长，d
2
是正方体形普通嵌入型散射体的内边长，a是晶格常数。
具体实施方式
[0028]
周期复合结构,又称声子晶体,是指具有声波或者弹性波带隙的周期性材料或结构，其内部弹性常数及密度呈周期性变化。就其材料组成而言，声子晶体可以是固/固、固/流或流/流体系，也可以是在某材料基体上周期开孔而成的单一材料体系。声子晶体中相互连通的背景材料为基体，不连通的材料为散射体，基体和散射体均可为固体、液体或气体。
相邻两个最小重复单元(单胞)之间的距离称为晶格常数。
[0029]
在具有周期结构的声子晶体中引入缺陷，如改变某些散射体的大小、形状、材料等，则可能在原来无缺陷晶体的带隙中出现声子能带，称之为缺陷能带，相应的状态称为缺陷态。缺陷态声波的分布具有局域性，即声波被限制在缺陷附近传播。声子晶体缺陷态的局域性有实用价值，如可用于声波滤波器和声波波导。如果声子晶体中的缺陷分布在一条线上，则称为线缺陷声子晶体，此时可能存在声波只沿线缺陷传播的缺陷能带，缺陷模的能量被局域在线缺陷中传播，因而构成声波导。
[0030]
本发明的形成方法如下：
[0031]
该簇超胞元包括a-h共8种，每种超胞元均包括基体，普通散射体振子，缺陷散射体振子可以存在也可以不存在。散射体振子可以单组元也可以二组元，在基体上嵌入或者凸起型布置，形状可以是圆柱形，长方体形或者正多边体形。普通散射体振子的形状，组元数量，布置方式，大小和材料均相同。而缺陷散射体振子与普通散射体振子的形状、组元数量、布置方式、大小和材料中的某一项或者某几项不相同。基体与散射体振子之间或者散射体振子为二组元时，振子内层与振子外层之间采用粘贴或者焊接的连接方式。通过几种超胞元相互组合，可以形成直线型、折线形或分支型缺陷周期复合结构。
[0032]
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明：
[0033]
实施例1：
[0034]
如图1所示，本实施例为散射体振子在基体上嵌入型布置的一簇超胞元，共有a-h共8种。每种超胞元的晶格常数为a。散射体振子在基体板上拟周期性分布，普通散射体振子为二组元长方体，内层和外层的顶面正方形边长分别为d
1
和d
2
，缺陷散射体为单组元圆柱体，直径为d
2
。振子外层和基体之间，以及内层振子和外层振子之间采用粘贴的连接方式。
[0035]
实施例2：
[0036]
如图2所示，本实施例为散射体振子在基体上凸起型布置的一簇超胞元，共有a-h共8种。每种超胞元的晶格常数为a。散射体振子在基体板上拟周期性分布，普通散射体振子为二组元圆柱体，内层和外层的高度分别为h
1
和h
2
，直径均为d
0
，缺陷散射体不存在。基体的高度为e。振子内层和基体之间，以及内层振子和外层振子之间采用粘贴的连接方式。
[0037]
实施例3：
[0038]
如图3所示，本实施例为6个c型超胞元，3个b型超胞元3
×
3组合形成的具有直线形缺陷的周期复合结构。超胞元的晶格常数为a，散射体振子为单组元圆柱体形，普通散射体和缺陷散射体直径分别为d
1
和d
2
，在基体上嵌入分布。振子和基体板之间采用粘贴的连接方式。
[0039]
实施例4：
[0040]
如图4所示，本实施例为1个b型超胞元，5个c型超胞元，1个d型超胞元，1和e型超胞元和1个f型超胞元组合形成的具有折线型缺陷的周期复合结构。超胞元的晶格常数为a，散射体振子为单组元圆柱体形，普通散射体和缺陷散射体直径分别为d
1
和d
2
，在基体上嵌入分布。振子和基体板之间采用粘贴的连接方式。
[0041]
实施例5：
[0042]
如图5所示，本实施例为1个a型超胞元，1个b型超胞元，3个c型超胞元，1个d型超胞元，1和e型超胞元和1个g型超胞元和1个h型超胞元组合形成的具有分支型缺陷的周期复合
结构。超胞元的晶格常数为a，散射体振子为单组元圆柱体形，普通散射体和缺陷散射体直径分别为d
1
和d
2
，在基体上嵌入分布。振子和基体板之间采用粘贴的连接方式。
[0043]
如图6所示，缺陷频率的弹性波射入带有线缺陷特性的周期复合结构中时，该周期复合结构的能带结构发生改变，缺陷频率的弹性波只能沿着线缺陷的路径传播，缺陷模的能量被局域在线缺陷中传播，构成波导。
[0044]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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