本發(fā)明涉及一種聲子晶體結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，詳細(xì)講一種在低頻率、寬頻率范圍內(nèi)具有較好的隔振特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，適于實(shí)際應(yīng)用的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體。

背景技術(shù)：

我們知道，低頻振動(dòng)給生產(chǎn)、生活帶來(lái)較大的影響，合理有效的解決低頻寬帶隔振問(wèn)題，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

美國(guó)海軍在《2000-2035年海軍技術(shù)》報(bào)告中指出21世紀(jì)潛艇必須重點(diǎn)發(fā)展的六大關(guān)鍵技術(shù)中，聲隱身技術(shù)被列為重點(diǎn)發(fā)展的六大關(guān)鍵技術(shù)之首。

隨著聲吶技術(shù)不斷向低頻段擴(kuò)展，主動(dòng)聲吶低頻端已達(dá)1300Hz-2000Hz，被動(dòng)聲吶探測(cè)的頻率下限已達(dá)10Hz，這就迫使?jié)撏脚_(tái)輻射噪聲控制能力盡量向低頻域發(fā)展。為控制潛艇低頻段輻射噪聲，世界先進(jìn)海軍國(guó)家陸續(xù)開(kāi)展了新一代潛艇減振降噪技術(shù)。美國(guó)的噪聲和振動(dòng)控制系統(tǒng)采用船用高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)全艦100Hz以下的低頻振動(dòng)實(shí)現(xiàn)有效隔振。德國(guó)也研制開(kāi)發(fā)了用于潛艇主機(jī)隔振的雙層隔振系統(tǒng)，400Hz以下低頻段隔振效果大于20dB。這些技術(shù)將進(jìn)一步提升世界先進(jìn)海軍國(guó)家潛艇的低頻聲隱身性能。

潛艇輻射噪聲主要分為機(jī)械噪聲、推進(jìn)器噪聲和水動(dòng)力噪聲。其中，機(jī)械噪聲是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)經(jīng)過(guò)隔振系統(tǒng)傳遞到基座引起耐壓殼體振動(dòng)，再經(jīng)舷間聲振耦合引起的外殼振動(dòng)并向外場(chǎng)輻射的噪聲。低速巡航工況下，潛艇約70%的輻射聲能量來(lái)源于機(jī)械設(shè)備振動(dòng)引起的機(jī)械噪聲。降低潛艇機(jī)械設(shè)備引起的輻射噪聲主要有兩種途徑：一是通過(guò)機(jī)械設(shè)備低噪聲設(shè)計(jì)和加工工藝改進(jìn)，減少設(shè)備振動(dòng)和噪聲；二是從振動(dòng)傳遞路徑上采用隔振、隔聲措施，阻隔振動(dòng)和噪聲的傳遞。

聲子晶體是具有彈性波禁帶特性的周期復(fù)合結(jié)構(gòu)。在其禁帶對(duì)應(yīng)頻率范圍內(nèi)，彈性波的傳播受到抑制，振動(dòng)能量得到有效的衰減。近年來(lái)，應(yīng)用聲子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振降噪成為研究的熱點(diǎn)。因此運(yùn)用聲子晶體是為潛艇的低頻隔振提供了一種新思路。

劉正猷等人在Science上提出局域共振型聲子晶體概念。得到單元特征長(zhǎng)度為2cm的結(jié)構(gòu)具有400Hz左右的低頻帶隙。Yang等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)闡明了具有十分簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的膜狀聲學(xué)超材料，能夠打破質(zhì)量密度定律，實(shí)現(xiàn)100–1000Hz頻率范圍內(nèi)的聲波衰減。Ho等基于局域共振結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計(jì)了具有不同共振頻率結(jié)構(gòu)單元的寬頻帶聲隱身材料,能屏蔽 200 — 500 Hz 的聲波。吳九匯等人提出螺旋結(jié)構(gòu)聲子晶體，采用有機(jī)玻璃和鋼柱材料設(shè)計(jì)了低頻隔振的性能，其起始頻率最低為42Hz，有效降低了帶隙的起始頻率。此外，許多研究者對(duì)不同形式、不同材料組合的聲子晶體結(jié)構(gòu)在低頻段的隔振也都進(jìn)行了大量的研究。

以上研究表明局域共振聲子晶體對(duì)于低頻隔振具有較好的效果，但無(wú)法同時(shí)滿足在較低頻率和寬頻率范圍內(nèi)的隔振性能?，F(xiàn)有的聲子晶體基體材料多采用環(huán)氧樹(shù)脂或有機(jī)玻璃等，此類材料雖然密度很小，彈性比較好，但是由于其強(qiáng)度較差、使用壽命短，因此很難應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)中，這也成為限制聲子晶體低頻隔振在實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，在低頻率、寬頻率范圍內(nèi)具有較好的隔振特性，有高強(qiáng)度，適于實(shí)際應(yīng)用的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體。

本發(fā)明解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足所采用的技術(shù)方案是：

一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體，設(shè)有基體板，其特征在于所述的基體板上(縱向串聯(lián))設(shè)有至少兩種具有不同帶隙特征的振動(dòng)單元。

本發(fā)明中所述的基體板的橫向上設(shè)有至少兩列振動(dòng)單元?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要任意調(diào)整基體板橫向上振動(dòng)單元的列數(shù)。所述的每列振動(dòng)單元，由至少兩種具有不同帶隙特征的的振動(dòng)單元在基體板（縱向）上周期性排列而成；在每個(gè)周期內(nèi)，每種振動(dòng)單元至少一個(gè)。

本發(fā)明中所述的振動(dòng)單元由振動(dòng)基座和振子組成；振子固連在振動(dòng)基座上。

本發(fā)明中所述的振動(dòng)基座是采用去除材料法在基體板上加工而成，用于安裝振子、可為振子提供振動(dòng)支撐。

本發(fā)明中所述的振動(dòng)基座一種是沖孔型振動(dòng)基座，其結(jié)構(gòu)為：基體板上設(shè)有振子安裝孔，以振子安裝孔為中心圓形分部有振動(dòng)孔。（以振子安裝孔為中心圓形陣列有振動(dòng)孔）

本發(fā)明中所述的振動(dòng)基座另一種是雙螺旋型振動(dòng)基座，其結(jié)構(gòu)為：基體板上設(shè)有振子安裝孔，以振子安裝孔為中設(shè)有環(huán)繞振子安裝孔的平面雙螺旋狀槽口。

本發(fā)明中所述的振子由呈階梯臺(tái)狀（即“凸”字形）的上振子和下振子組成，上振子和下振子（凸字頭部）相對(duì)的設(shè)在基體板上振子安裝孔的上下兩側(cè)，上振子和下振子中部與振子安裝孔相對(duì)處設(shè)有安裝通孔，安裝通孔內(nèi)設(shè)有緊固螺栓。緊固螺栓穿過(guò)振子安裝孔將上振子和下振子固定在基體板上。

本發(fā)明由于振子和振動(dòng)基座的密度比越大，能得到的衰減頻率范圍越大，衰減量越大，綜合衰減量越好，因此密度高的振子和密度低的振動(dòng)基座是比較合適的選擇方案。

考慮到實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明采用新型材料碳纖維板作為基體板，充分利用其密度低、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，代替了傳統(tǒng)研究工作中常用的有機(jī)玻璃和環(huán)氧樹(shù)脂等材料。

上述的串聯(lián)型聲子晶體，所述振子的材料為鎢合金，振子主體形狀為圓柱體，振子與基體板相連的部分為一半徑更小的圓柱體，振子中心設(shè)有貫穿的安裝通孔，通過(guò)緊固螺栓由上至下貫穿而固連在聲子晶體基體板上。

本發(fā)明中所述的基體板上(縱向)設(shè)有4個(gè)沖孔型振動(dòng)基座，4個(gè)沖孔型振動(dòng)基座(縱向)后側(cè)串聯(lián)有4個(gè)雙螺旋型振動(dòng)基座。此配比是經(jīng)過(guò)優(yōu)化篩選后確定的最佳配比。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明串聯(lián)型聲子晶體采用串聯(lián)的方法綜合利用兩種具有不同帶隙特征的聲子晶體結(jié)構(gòu)，很大范圍上拓寬了低頻振動(dòng)衰減的頻帶寬度，有效的解決了超低頻隔振頻帶過(guò)窄的問(wèn)題，且較單一的某一種聲子晶體的傳輸特性產(chǎn)生了更好的衰減效果和更大范圍的衰減，低頻衰減量產(chǎn)生了更大的提高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中基體板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是雙螺旋型聲子晶體、沖孔型聲子晶體和本發(fā)明的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體傳輸特性曲線的對(duì)比圖。

圖4是本發(fā)明的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體傳輸特性曲線圖。

具體實(shí)施方式

一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體，設(shè)有基體板，其特征在于所述的基體板上縱向串聯(lián)設(shè)有至少兩種具有不同帶隙特征的振動(dòng)單元?；w板的橫向上設(shè)有至少一列振動(dòng)單元，可以根據(jù)實(shí)際的振動(dòng)范圍任意調(diào)整基體板橫向上振動(dòng)單元的列數(shù)。每列振動(dòng)單元由至少兩種具有不同帶隙特征的振動(dòng)單元在基體板（縱向）上周期性排列而成；在每個(gè)周期內(nèi)，每種振動(dòng)單元至少一個(gè)。中所述的振動(dòng)單元由振動(dòng)基座和振子組成；振子固連在振動(dòng)基座上。所述的振動(dòng)基座是采用去除材料法在基體板上加工而成，用于安裝振子、可為振子提供振動(dòng)支撐。振動(dòng)單元以結(jié)構(gòu)和材料差異來(lái)區(qū)分不同種類，如振動(dòng)基座的形狀不同，又如振子的材料及形狀不同。

本發(fā)明對(duì)于周期內(nèi)串聯(lián)的聲子晶體類型、數(shù)目以及出現(xiàn)順序沒(méi)有限制。在一個(gè)周期內(nèi)，同一種類型的聲子晶體單元可以在不同位置以不同數(shù)目出現(xiàn)。

如圖1、2所示的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體,設(shè)有基體板4，基體板4上縱向串聯(lián)設(shè)有兩種具有不同帶隙特征的振動(dòng)單元；振動(dòng)單元由振動(dòng)基座和振子組成；其中一種振動(dòng)單元的振動(dòng)基座是沖孔型振動(dòng)基座，其結(jié)構(gòu)為：基體板上設(shè)有振子安裝孔5，以振子安裝孔5為中心圓形陣列有振動(dòng)孔6；另一種振動(dòng)單元的振動(dòng)基座是雙螺旋型振動(dòng)基座，其結(jié)構(gòu)為：基體板上設(shè)有振子安裝孔，以振子安裝孔為中設(shè)有環(huán)繞振子安裝孔的平面雙螺旋狀槽口7。振子由呈階梯臺(tái)狀（即“凸”字形）的上振子2和下振子3組成，上振子2和下振子3小直徑一端（凸字頭部）相對(duì)的設(shè)在基體板上振子安裝孔的上下兩側(cè)，上振子2和下振子3中部與振子安裝孔相對(duì)處設(shè)有安裝通孔，安裝通孔內(nèi)設(shè)有緊固螺栓1。緊固螺栓1穿過(guò)振子安裝孔將上振子和下振子、經(jīng)螺母將上振子和下振子固連在振動(dòng)基座上。雙螺旋型振動(dòng)基座上安裝振子形成雙螺旋型振動(dòng)單元，沖孔型振動(dòng)基座上安裝振子形成沖孔型振動(dòng)單元。從圖1和圖2中可以看出，基體板上(縱向)設(shè)有4個(gè)沖孔型振動(dòng)單元，4個(gè)沖孔型振動(dòng)單(縱向)后側(cè)串聯(lián)有4個(gè)雙螺旋型振動(dòng)單元；構(gòu)成本發(fā)明的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體?；w板采用新型材料碳纖維板作為基體板，碳纖維板的密度為1740（kg/m³）、楊氏模量為21E/10¹⁰Pa、泊松比為0.307；充分利用其密度低、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，代替了傳統(tǒng)研究工作中常用的有機(jī)玻璃和環(huán)氧樹(shù)脂等材料。所述振子（上振子和下振子）的材料為鎢合金，鎢合金的密度為16200（kg/m³）、楊氏模量為35.41E/10¹⁰Pa、泊松比為0.3505；振子主體形狀為圓柱體，振子與基體板相連的部分為一半徑更小的圓柱體，振子中心設(shè)有貫穿的安裝通孔，通過(guò)緊固螺栓由上至下貫穿、經(jīng)螺母固連在基體板上。

選擇上述的基體板上縱向設(shè)有4個(gè)沖孔型振動(dòng)單元，4個(gè)沖孔型振動(dòng)單后側(cè)縱向串聯(lián)有4個(gè)雙螺旋型振動(dòng)單元而形成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體做振動(dòng)傳輸特性試驗(yàn)。同時(shí)選擇基體板上縱向設(shè)有8個(gè)沖孔型振動(dòng)單元的沖孔型聲子晶體和基體板上縱向設(shè)有8個(gè)雙螺旋型振動(dòng)單元的雙螺旋型聲子晶體做振動(dòng)傳輸特性試驗(yàn)。傳輸特性試驗(yàn)的方法為：聲子晶體輸入端加入正弦掃頻激勵(lì)，分別提取輸入端的加速度激勵(lì)信號(hào)和輸出端的加速度響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到傳輸特性曲線。仿真測(cè)得的上述三種聲子晶體的傳輸特性的對(duì)比圖如圖3所示。虛線為沖孔型聲子晶體的傳遞特性曲線，點(diǎn)劃線表示雙螺旋結(jié)構(gòu)聲子晶體的傳遞特性曲線，實(shí)線表示串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體的傳遞特性曲線。經(jīng)過(guò)掃頻試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與仿真吻合。在該項(xiàng)振動(dòng)傳輸特性試驗(yàn)的聲子晶體中，組成聲子晶體的所有沖孔型振動(dòng)單元的材質(zhì)、尺寸和結(jié)構(gòu)相同，所有的雙螺旋型振動(dòng)單元的材質(zhì)、尺寸和結(jié)構(gòu)相同；提高試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)可靠性。

對(duì)上述的基體板上縱向設(shè)有4個(gè)沖孔型振動(dòng)單元，4個(gè)沖孔型振動(dòng)單后側(cè)縱向串聯(lián)有4個(gè)雙螺旋型振動(dòng)單元而形成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體做振動(dòng)傳輸特性試驗(yàn)。測(cè)得的該種串聯(lián)結(jié)構(gòu)聲子晶體的頻響曲線如圖4所示。從圖中可以看出，該聲子晶體串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了16-4687Hz范圍內(nèi)振動(dòng)有效衰減，平均衰減量達(dá)100dB。同時(shí)，碳纖維還能夠很大程度上確保聲子晶體板的強(qiáng)度，使其更具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

本發(fā)明串聯(lián)型聲子晶體采用串聯(lián)的方法綜合利用兩種具有不同帶隙特征的聲子晶體結(jié)構(gòu)，很大范圍上拓寬了低頻振動(dòng)衰減的頻帶寬度，有效的解決了超低頻隔振頻帶過(guò)窄的問(wèn)題，且較單一的某一種聲子晶體的帶隙特性產(chǎn)生了更好的衰減效果和更大范圍的衰減，低頻衰減量產(chǎn)生了更大的提高。