用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构和设计方法

本发明涉及减振降噪的，尤其涉及用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构和设计方法。

背景技术：

1、随着科学技术迅速发展，对微纳米尺度下，各种结构和器件的减振降噪需求与日俱增。声子晶体独特的带隙特性为消除和抑制各种器件中的振动和噪声提供了新的设计思路。由此所衍生实现的各类减振降噪技术也比较多。

2、压电效应是一种传统的力-电耦合效应，压电材料可以实现力-电的相互转化，广泛用于各种减振降噪、控制和测量器件中。然而，当结构的尺度缩小到微纳米级别时，传统的压电材料/效应已经变得不适应了，由此本发明引入了挠曲电材料/效应。与压电效应不同的是，挠曲电效应不受晶体结构对称性的限制，存在于所有电介质材料中，材料的选择范围会极大地增加；其次压电材料在使用时，不能超过居里温度点，且绝大部分压电材料含有铅等重金属，由压电材料制备的结构和器件对人体和环境均会造成危害。因此，挠曲电效应为器件的设计提供了新的可能。

3、申请号为“cn201910182759.9”，名称为“一种纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置”的发明专利申请，公开了一种超高频振动的主动控制装置；在声子晶体梁上分别连接电源、加速度传感器、多物理场控制系统。利用电源供给声子晶体梁能源，利用加速度传感器测得声子晶体梁振动控制区域的振动信号，使用多物理场控制系统处理振动信号并输出电压、温差及外载荷信号，实现对高频振动的主动控制。该专利虽对高频振动有抑制作用，但结构复杂，也没有考虑微纳米尺度下结构的挠曲电效应对声子晶体梁禁带精度的影响，实际上，纳米尺度下，挠曲电效应会导致禁带扩大到原来的3倍以上。在声子晶体梁外部需要大量辅助设备，在一些对禁带频率要求比较严格、工作环境恶劣的情况下，难以实现。

4、申请号为“cn202011419743.4”，名称为“一种用于主动调节振动和波传播特性的压电声子晶体梁”的发明专利申请，公开了一种压电声子晶体梁结构的振动控制装置，在声子晶体梁上分别连接数据采集器、控制器、压电放大器和压电驱动器。利用压电传感器采集电压信号，数据采集器处理电压信号反馈给电压驱动器，利用压电驱动器控制声子晶体梁的振动变变形。该专利虽对振动有抑制作用，但结构复杂，也没有考虑到压电材料对人体和环境的危害。在一些对环保要求严格、安装条件苛刻的情况下，难以实现。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构和设计方法。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，由若干个高挠曲电系数材料制作的组件一和组件二以规律或非规律的方式首尾相接而成。

4、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

5、上述的组件一由钛酸钡制作。

6、上述的组件二由钛酸锶制作。

7、上述的相邻组件之间硬性连接。

8、上述的相邻组件之间的连接方式为胶接或者螺栓连接。

9、上述的挠曲电声子晶体梁结构的单胞长度大于单胞宽度的十倍。

10、上述的挠曲电声子晶体梁结构的长度为1nm-300μm之间。

11、用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构的设计方法，包括以下步骤：

12、步骤1.由数值软件或仿真软件得到多组输入参数与输出参数，构成数据集，其中输入参数包括：挠曲电声子晶体梁结构中组件一和组件二的排列顺序以及在该排列顺序下挠曲电声子晶体梁结构第一禁带上下限；输出参数为组件一和组件二的结构参数；

13、步骤2.采用matlab神经网络工具箱进行神经网络构建：输入参数为挠曲电声子晶体梁结构第一禁带带隙上下限，输出参数为组件一和组件二的宽度以及组件一和组件二的排列顺序，针对神经网络进行训练，从而完成神经网络的构建；

14、步骤3.获取需减振降噪的目标频率范围，确定挠曲电声子晶体梁结构的几何尺寸和单胞数，选定材料参数；

15、步骤4.将需减振降噪的频率范围作为输入参数，输入神经网络，得到输出参数，从而确定挠曲电声子晶体梁的具体结构。

16、步骤2中，神经网络的隐藏层网络为2层，采用softmax为激活函数。

17、组件一和组件二均为长方体结构。

18、本发明具有以下优点：

19、(1)本发明的挠曲电声子晶体梁结构可采用不同的挠曲电材料，其结构简单，参数设计效率高，建造周期短、设计效果显著。

20、(2)本发明将尺寸限制在微纳米级别，突破了对振动频段的限制，实现了超高频段振动噪声的控制。

21、(3)由于本发明的声子晶体设计方法有相应理论和仿真结果作为支撑，在未来的设计中可拓展性强、具有广阔的设计空间。

22、(4)本发明对微纳米器件的振动应用起到了积极的促进作用，为工程上纳米尺度下声子晶体器件的应用提供了新的思路。

技术特征：

1.用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，其特征是：由若干个高挠曲电系数材料制作的组件一(1)和组件二(2)以规律或非规律的方式首尾相接而成。

2.根据权利要求1所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，其特征是：所述的组件一(1)由钛酸钡制作。

3.根据权利要求1所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，其特征是：所述的组件二(2)由钛酸锶制作。

4.根据权利要求1所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，其特征是：相邻组件之间硬性连接。

5.根据权利要求1所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，其特征是：相邻组件之间的连接方式为胶接或者螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，其特征是：挠曲电声子晶体梁结构的单胞长度大于单胞宽度的十倍。

7.根据权利要求1所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，其特征是：所述的挠曲电声子晶体梁结构的长度为1nm-300μm之间。

8.用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构的设计方法，其特征是：步骤2中，神经网络的隐藏层网络为2层，采用softmax为激活函数。

10.根据权利要求8所述的用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构的设计方法，其特征是：组件一(1)和组件二(2)均为长方体结构。

技术总结本发明公开了用于超高频减振降噪的挠曲电声子晶体梁结构，由若干个高挠曲电系数材料制作的组件一和组件二以规律或非规律的方式首尾相接而成。本发明属于减振降噪领域。为纳米级声子晶体梁结构，本发明的声子晶体梁可由不同材料、不同结构尺寸组成，可以用于减振降噪。通过本发明的声子晶体梁结构，可以设计不同材料参数和结构参数的声子晶体梁结构，可实现对目标频率内弹性波或声波的传播的限制，达到减振降噪的目的。技术研发人员：沈承,彭聪,孔燚帆,李铮受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/2/21