對機械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及聲學(xué)超材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種對機械波選擇吸收的二維聲 學(xué)超材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以下對本實用新型的相關(guān)技術(shù)背景進(jìn)行說明，但這些說明并不一定構(gòu)成本實用新 型的現(xiàn)有技術(shù)。
[0003] 聲學(xué)超材料的概念最初是由Liu等人在研究局部共振聲學(xué)材料時提出的，他們從 理論、數(shù)值模擬以及實驗等多個方面論述了具有負(fù)有效體積模量的聲學(xué)超材料。Li和Chan 應(yīng)用Berryman提出的有效質(zhì)量和有效密度的概念，得到了具有有效體積模量和有效質(zhì)量密 度同時為負(fù)的結(jié)論。所得到的負(fù)的質(zhì)量密度意味著，如果在集中質(zhì)量上的作用力的方向向 左，那么得到的在集中質(zhì)量上的加速度方向則向右。由于材料結(jié)構(gòu)的特殊性，才在宏觀上得 到作用力的方向與集中質(zhì)量上面產(chǎn)生的加速度的方向相反的結(jié)論。
[0004] 目前對聲學(xué)超材料大多集中一維桿結(jié)構(gòu)的超材料，這些一維超材料中使用的胞元 微結(jié)構(gòu)通常由集中質(zhì)量與理想彈簧構(gòu)成。這種胞元微結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一個有效帶隙，使某一 個頻率范圍內(nèi)的聲波無法向前傳播。在此研究基礎(chǔ)上，本實用新型提出了一種新型的二維 超材料平板，平板結(jié)構(gòu)可以吸收與板方向垂直的機械波。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型的目的在于提出一種對機械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料及其制備 方法，根據(jù)本實用新型的二維聲學(xué)超材料能夠吸收垂直方向的機械波，且結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計性 好、便于實現(xiàn)。
[0006] 根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種對機械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料，包 括:兩塊纖維增強聚丙烯兩塊纖維增強聚丙烯FRPP平板、橡膠薄膜、集中質(zhì)量塊和金屬貼 片;其中，
[0007] 所述FRPP平板上設(shè)置有周期性排列的開口，兩塊所述FRPP平板之間夾持橡膠薄 膜；
[0008] 集中質(zhì)量塊和金屬貼片設(shè)置在每個開口處的橡膠薄膜的中心，其中，集中質(zhì)量塊 為磁性材料塊、并設(shè)置在橡膠薄膜一側(cè)的中心，金屬貼片設(shè)置在橡膠薄膜另一側(cè)的中心，所 有的集中質(zhì)量塊位于所述FRPP平板的同一側(cè)。
[0009] 優(yōu)選地，所述開口為方形開口，所述方形開口呈矩陣式排列，所述方形開口的尺寸 為60mm X 60mm，相鄰兩個所述開口之間的間距為25mm。
[0010] 優(yōu)選地，每個開口處的所述橡膠薄膜的等效剛度為：
[0012] 每個開口處的所述橡膠薄膜的質(zhì)量為：
[0013] mi = f(p，I，d，e)
[0014] 式中，無為每個開口處的橡膠薄膜的等效剛度，單位為:N/m;P為橡膠薄膜的密度， 單位為:kg/m3; E為橡膠薄膜的楊氏模量，單位為:N/m2; 1為橡膠薄膜的長度，單位為:mm; d為 橡膠薄膜的寬度，單位為:mm; e為橡膠薄膜的厚度，單位為:mm; mi為每個開口處的橡膠薄膜 的質(zhì)量，單位為:kg。
[0015] 優(yōu)選地，每個開口處的磁性材料塊和橡膠薄膜的等效質(zhì)量為：
[0019] 式中，I為每個開口處的磁性材料塊和橡膠薄膜的等效質(zhì)量，單位為:kg; Ω為待 吸收機械波的頻率，單位為:Hz ;m2為每個開口處的磁性材料塊的質(zhì)量，單位為:kg。
[0020] 優(yōu)選地，所述FRPP平板的尺寸為380mm X 380mm，每塊所述FRPP平板上設(shè)置有16或 20個方形開口。
[0021]根據(jù)本實用新型的另一個方面，提供一種對機械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料的 制備方法，包括：
[0022] S1、在纖維增強聚丙烯FRPP平板設(shè)置周期性排列的開口，利用兩塊所述FRPP平板 夾持橡膠薄膜；
[0023] S2、在每個開口處的橡膠薄膜的一側(cè)的中心設(shè)置磁性材料塊，在每個開口處的橡 膠薄膜的另一側(cè)的中心設(shè)置金屬貼片，并且所有的磁性材料塊位于所述FRPP平板的同一 側(cè)。
[0024]優(yōu)選地，所述開口為方形開口，所述方形開口呈矩陣式排列，所述方形開口的尺寸 為60mm X 60mm，相鄰兩個所述開口之間的間距為25mm。
[0025]優(yōu)選地，步驟S2之前進(jìn)一步包括：
[0026] 根據(jù)橡膠薄膜的密度以及每個開口處橡膠薄膜的楊氏模量、長度、寬度和厚度確 定每個開口處橡膠薄膜的質(zhì)量和等效剛度；
[0027] 其中，每個開口處的所述橡膠薄膜的等效剛度為：
[0029] 每個開口處的所述橡膠薄膜的質(zhì)量為：
[0030] mi = f(p，l，d，e)
[0031] 式中，萬為每個開口處的橡膠薄膜的等效剛度，單位為:N/m;P為橡膠薄膜的密度， 單位為:kg/m3; E為橡膠薄膜的楊氏模量，單位為:N/m2; 1為橡膠薄膜的長度，單位為:mm; d為 橡膠薄膜的寬度，單位為:mm; e為橡膠薄膜的厚度，單位為:mm; mi為每個開口處的橡膠薄膜 的質(zhì)量，單位為:kg。
[0032]優(yōu)選地，步驟S2之前進(jìn)一步包括:依據(jù)待吸收機械波的頻率和橡膠薄膜的等效剛 度，確定每個開口處的磁性材料塊和橡膠薄膜的等效質(zhì)量;每個開口處的磁性材料塊和橡 膠薄膜的等效質(zhì)量為：
[0034]步驟S2之前進(jìn)一步包括:基于所述等效質(zhì)量以及每個開口處橡膠薄膜的質(zhì)量，確 定每個開口處的磁性材料塊的質(zhì)量;每個開口處的磁性材料塊的質(zhì)量為：
[0036]式中，??為每個開口處的磁性材料塊和橡膠薄膜的等效質(zhì)量，單位為:kg; Ω為待 吸收機械波的頻率，單位為:Hz ;m2為每個開口處的磁性材料塊的質(zhì)量，單位為:kg。
[0037] 優(yōu)選地，所述FRPP平板的尺寸為380mm X 380mm，每塊所述FRPP平板上設(shè)置有16或 20個方形開口。
[0038]根據(jù)本實用新型的對機械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料，包括:FRPP平板、橡膠薄 膜、集中質(zhì)量塊和金屬貼片；其中，所述FRPP平板上設(shè)置有周期性排列的開口，兩塊FRPP平 板之間夾持橡膠薄膜;集中質(zhì)量塊和金屬貼片設(shè)置在每個開口處的橡膠薄膜的中心，其中， 集中質(zhì)量塊為磁性材料塊并設(shè)置在橡膠薄膜一側(cè)的中心，金屬貼片設(shè)置在橡膠薄膜另一側(cè) 的中心，所有的集中質(zhì)量塊位于FRPP平板的同一側(cè)。本實用新型通過采用兩塊FRPP平板夾 持橡膠薄膜、并在FRPP平板的每個開口處的橡膠薄膜的中心設(shè)置集中質(zhì)量塊，使聲學(xué)超材 料具有質(zhì)量-彈簧微結(jié)構(gòu)的聲學(xué)振動模式與光學(xué)振動模式，通過有針對性地選擇集中質(zhì)量 塊可以實現(xiàn)對特定頻率的機械波進(jìn)行選擇吸收;通過以磁性材料塊作為集中質(zhì)量塊，將磁 性材料塊設(shè)置在橡膠薄膜一側(cè)的中心、并在橡膠薄膜另一側(cè)的中心設(shè)置金屬貼片，能夠?qū)?集中質(zhì)量塊固定在薄膜表面，避免由于黏貼帶來的外部邊界對橡膠薄膜性能的影響。根據(jù) 本實用新型的二維聲學(xué)超材料，能夠吸收垂直方向的機械波，且結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計性好、便于 實現(xiàn)。
[0039] 本實用新型還提供了一種二維聲學(xué)超材料的制備方法，該制備方法具有上述二維 聲學(xué)超材料的所有有益效果。
【附圖說明】
[0040] 通過以下參照附圖而提供的【具體實施方式】部分，本實用新型的特征和優(yōu)點將變得 更加容易理解，在附圖中：
[0041] 圖1是示出根據(jù)本實用新型的對機械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0042] 圖2是示出根據(jù)本實用新型的二維聲學(xué)超材料的集中質(zhì)量塊與金屬貼片剖視圖；
[0043] 圖3是根據(jù)本實用新型的二維聲學(xué)超材料的力學(xué)模型示意圖；
[0044] 圖4是根據(jù)本實用新型優(yōu)選實施例的二維聲學(xué)超材料的掃頻測試曲線；
[0045]圖5是根據(jù)本實用新型優(yōu)選實施例的二維聲學(xué)超材料在67.5Hz的振型；
[0046] 圖6是根據(jù)本實用新型優(yōu)選實施例的二維聲學(xué)超材料在157.5Hz的振型。
【具體實施方式】
[0047] 下面參照附圖對本實用新型的示例性實施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對示例性實施方式 的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本實用新型及其應(yīng)用或用法的限制。
[0048] 參見圖1、2,根據(jù)本實用新型的對機械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料包括:兩塊纖 維增強聚丙烯FRPP平板1、橡膠薄膜2、集中質(zhì)量塊3和金屬貼片4ARPP平板上設(shè)置有周期性 排列的開口，兩塊FRPP平板之間夾持橡膠薄膜;集中質(zhì)量塊和金屬貼片設(shè)置在每個開口處 的橡膠薄膜的中心，集中質(zhì)量塊設(shè)置在橡膠薄膜一側(cè)的中心，金屬貼片設(shè)置在橡膠薄膜另 一側(cè)的中心，所有的磁性材料塊位于所述FRPP平板的同一側(cè)。被兩塊FRPP平板1夾持的橡膠 薄膜2可以等效于彈簧，通過調(diào)節(jié)兩塊FRPP板1之間的夾持方式，可以獲得具有不同彈性系 數(shù)的橡膠薄膜2。
[0049] FRPP平板1上設(shè)置有周期性排列的開口，開口的形狀可以是圓形或多邊，開口的排 列方式也可以根據(jù)實際需要確定，方形開口的尺寸不同，每個方形開口處橡膠薄膜的彈性 參數(shù)不同，根據(jù)本實用新型的優(yōu)選實施例，開口為方形開口，方形開口呈矩陣式排列，方形 開口的尺寸為60mm X 60mm，相鄰兩個開口之間的間距為25mm。優(yōu)選地，F(xiàn)RPP平板的尺寸為 380mm X 380mm，每塊FRPP平板上設(shè)置有16或20個方形開口。
[0050] 現(xiàn)有技術(shù)中，集中質(zhì)量塊多通過黏貼的方式固定在橡膠薄膜上。但是，采用這種固 定方式的聲學(xué)超材料，黏貼帶來的外部邊界會對橡膠薄膜的性能產(chǎn)生影響。為了解決這個 問題，根據(jù)本實用新型的二維聲學(xué)超材料，集中質(zhì)量塊為磁性材料塊，通過將磁性材料塊設(shè) 置在橡膠薄膜一側(cè)的中心、并在橡膠薄膜另一側(cè)的中心設(shè)置金屬貼片，能夠?qū)⒓匈|(zhì)量塊 固定在薄膜表面，避免由于黏貼帶來的