對(duì)機(jī)械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲學(xué)超材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種對(duì)機(jī)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(duì)本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)背景進(jìn)行說明，但這些說明并不一定構(gòu)成本發(fā)明的現(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(shí)提出的，他們從 理論、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)等多個(gè)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(shí)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(duì)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(gè)有效帶隙，使某一 個(gè)頻率范圍內(nèi)的聲波無法向前傳播。在此研究基礎(chǔ)上，本發(fā)明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(jī)械波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種對(duì)機(jī)械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料及其制備方法， 根據(jù)本發(fā)明的二維聲學(xué)超材料能夠吸收垂直方向的機(jī)械波，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)性好、便于實(shí) 現(xiàn)。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種對(duì)機(jī)械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料，包括：兩 塊纖維增強(qiáng)聚丙烯兩塊纖維增強(qiáng)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(gè)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60mmX60mm，相鄰兩個(gè)所述開口之間的間距為25mm。
[0010] 優(yōu)選地，每個(gè)開口處的所述橡膠薄膜的等效剛度為：
[0012] 每個(gè)開口處的所述橡膠薄膜的質(zhì)量為：
[0013] Hi1= f ( P，1，d，e)
[0014] 式中，瓦為每個(gè)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;l為橡膠薄膜的長(zhǎng)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觀為每個(gè)開口處的 橡膠薄膜的質(zhì)量，單位為：kg。
[0015] 優(yōu)選地，每個(gè)開口處的磁性材料塊和橡膠薄膜的等效質(zhì)量為：
[0017] 每個(gè)開口處的磁性材料塊的質(zhì)量為：
[0019] 式中，i為每個(gè)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(jī)械波的頻率，單位為：Hz ;m2為每個(gè)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380mmX 380mm，每塊所述FRPP平板上設(shè)置有16 或20個(gè)方形開口。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種對(duì)機(jī)械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料的制備 方法，包括：
[0022] Sl、在纖維增強(qiáng)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(gè)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(gè)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60mmX60mm，相鄰兩個(gè)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(gè)開口處橡膠薄膜的楊氏模量、長(zhǎng)度、寬度和厚度確 定每個(gè)開口處橡膠薄膜的質(zhì)量和等效剛度；
[0027] 其中，每個(gè)開口處的所述橡膠薄膜的等效剛度為：
[0029] 每個(gè)開口處的所述橡膠薄膜的質(zhì)量為：
[0030] Iii1= f( P，1，d，e)
[0031] 式中，萬(wàn)為每個(gè)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;l為橡膠薄膜的長(zhǎng)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觀為每個(gè)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(jī)械波的頻率和橡膠薄膜的等效剛 度，確定每個(gè)開口處的磁性材料塊和橡膠薄膜的等效質(zhì)量；每個(gè)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(gè)開口處橡膠薄膜的質(zhì)量，確 定每個(gè)開口處的磁性材料塊的質(zhì)量；每個(gè)開口處的磁性材料塊的質(zhì)量為：
[0036] 式中，兄為每個(gè)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(jī)械波的頻率，單位為：Hz ;m2為每個(gè)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380mmX 380mm，每塊所述FRPP平板上設(shè)置有16 或20個(gè)方形開口。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明的對(duì)機(jī)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(gè)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)。本發(fā)明通過采用兩塊FRPP平板夾持橡 膠薄膜、并在FRPP平板的每個(gè)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(dòng)模式與光學(xué)振動(dòng)模式，通過有針對(duì)性地選擇集中質(zhì)量塊可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率的機(jī)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)⒓?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(duì)橡膠薄膜性能的影響。根據(jù)本發(fā) 明的二維聲學(xué)超材料，能夠吸收垂直方向的機(jī)械波，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)性好、便于實(shí)現(xiàn)。
[0039] 本發(fā)明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(shí)施方式】部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加 容易理解，在附圖中：
[0041] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的對(duì)機(jī)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)本發(fā)明的二維聲學(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)本發(fā)明的二維聲學(xué)超材料的力學(xué)模型示意圖；
[0044] 圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的二維聲學(xué)超材料的掃頻測(cè)試曲線；
[0045] 圖5是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的二維聲學(xué)超材料在67. 5Hz的振型；
[0046] 圖6是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的二維聲學(xué)超材料在157. 5Hz的振型。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對(duì)示例性實(shí)施方式的描 述僅僅是出于示范目的，而絕不是對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。
[0048] 參見圖1、2,根據(jù)本發(fā)明的對(duì)機(jī)械波選擇吸收的二維聲學(xué)超材料包括：兩塊纖維 增強(qiáng)聚丙烯FRPP平板1、橡膠薄膜2、集中質(zhì)量塊3和金屬貼片4。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(gè)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(shí)際需要確定，方形開口的尺寸不同，每個(gè)方形開口處橡膠薄膜的彈 性參數(shù)不同，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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60mmX60mm，相鄰兩個(gè)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(gè)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(huì)對(duì)橡膠薄膜的性能產(chǎn)生影響。為了解決這個(gè) 問題，根據(jù)本發(fā)明的二維聲學(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外部邊界對(duì)橡膠薄膜性能的影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)性好、 便于實(shí)現(xiàn)。
[0051 ] 本發(fā)明通過采用兩塊FRPP平板1夾持橡膠薄膜2、并在FRPP平板1的每個(gè)開口處 的橡膠薄膜2的中心設(shè)置集中質(zhì)量塊3,使二維聲學(xué)超材料具有質(zhì)量-彈簧微結(jié)構(gòu)的聲學(xué)振 動(dòng)模式與光學(xué)振動(dòng)模式，通過有針對(duì)性地選擇集中質(zhì)量塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率的機(jī)械波進(jìn) 行選擇吸收。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的二維聲學(xué)超材料的力學(xué)模型示意圖。當(dāng)質(zhì)量-彈簧 微結(jié)構(gòu)受到諧振力F的激勵(lì)作用時(shí)，其振動(dòng)模式包括聲學(xué)振動(dòng)模式和光學(xué)振動(dòng)模式，橡膠 薄膜的位移為U 1，集中質(zhì)量塊的位移為U2。在光學(xué)振動(dòng)模式下，由于U2的振動(dòng)相位與u ^勺 振動(dòng)相位相反，1^的振動(dòng)幅度會(huì)得到顯著的抑制，就相當(dāng)于橡膠薄膜在振動(dòng)時(shí)受到了來自 于集中質(zhì)量塊％的抑制力，導(dǎo)致橡膠薄膜的振動(dòng)能量全部轉(zhuǎn)移給集中質(zhì)量塊m 2，從而實(shí)現(xiàn) 在光學(xué)振動(dòng)模式下，對(duì)機(jī)械波的選擇吸收。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，每個(gè)開口處的橡膠薄膜的等效剛度為：
[0054] 每個(gè)開口處的橡膠薄膜的質(zhì)量為：<