一种可调带隙式压电声子晶体及其参数优化方法

本发明属于声子晶体设计领域，尤其涉及一种可调带隙式压电声子晶体及其参数优化方法。

背景技术：

1、声子晶体能在带隙范围内阻绝弹性波的传播，但传统声子晶体的几何构型采用定型设计，一般是根据减振目标进行的针对性设计，其带隙特征即减振频段也随减振目标的特定参数而确定，无法调节。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种在设计频段内具有良好隔振效果的声子晶体构型，该声子晶体能够在不改变结构时在一定范围内调节减振工作频段，同时提供能够快速计算、调整和设计隔振频段，实现针对性设计的参数优化方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种可调带隙式压电声子晶体，包括幂指数棱台1局域共振单元2、连接板3；

4、幂指数棱台1包括底部的矩形台10以及从矩形台10顶部向内凹陷形成的幂指数台11；所述幂指数台11的横截面为矩形，幂指数台棱边为幂指数曲线；

5、局域共振单元2包括：横置在幂指数台11顶部的条形板20、黏贴在条形板20上侧中间位置的压电片21、固定在条形板20两端的质量块22；

6、所述连接板3固定在幂指数棱台1底部。

7、对前述可调带隙式压电声子晶体的进一步改进或者优选实施方案，以矩形台10顶部的角点为坐标原点，以所述角点所在三个矩形台棱边为坐标轴建立xyz坐标系，其中z轴垂直向上，则该角点所对应处的幂指数台棱边可表示为：

8、ha为幂指数台11的高度，ri为凹坑宽度；m，n为大于2的整数。

9、对前述可调带隙式压电声子晶体的进一步改进或者优选实施方案，所述幂指数棱台1由聚碳酸酯材料制成；条形板20由铝制成；质量块22由铁制成；压电片21为mfc压电纤维片；连接板3由钢板制成。

10、本发明还提供了可调带隙式压电声子晶体的参数优化方法，包括如下步骤：

11、步骤1.获取隔振目标参数，包括：测量待隔振钢板的材料参数、几何参数、作用于条形板的载荷频率；

12、步骤2.根据条形板结构的尺寸确定可调带隙式压电声子晶体的连接板3尺寸，并初步确定周期数，并构建物理模型；

13、步骤3.计算幂指数棱台双振子式声子晶体的能带曲线；

14、具体是指，设置周期性条件，在特征频率研究中进行参数化扫描，使floquet周期性边界条件中的波矢k＝(kx,ky)沿第一布里渊区边界扫描，计算得出不同波矢下的本征频率，绘制出频散曲线，变量p与波矢k的关系如下分段函数：

15、

16、其中kx为波矢k在x方向的分量，ky为波矢在y方向的分量；

17、步骤4.分析能带曲线的带隙频段，确定载荷频率是否在带隙频段内，其中：在分析带隙频段时，将曲线中γ点附近的“深v”型曲线剔除，同时分析压电片上下端面短路时和上下端面电压差为360v时声子晶体的带隙特征，确定带隙频段能否适配激振频率，以及带隙移动范围能否适配根据激励载荷频率移动特征。

18、步骤5.若载荷频率在带隙频率内，带隙移动范围能否适配根据激励载荷频率移动特征，则直接执行步骤6；若不能则返回步骤2，对可调带隙式压电声子晶体的材料与几何尺寸进行调整；

19、步骤6.将所设计的可调带隙式压电声子晶体按照步骤2确定的周期数布置于条形板结构上，实现对目标载荷频率振动的阻挡。

20、对前述可调带隙式压电声子晶体的参数优化方法的进一步优化或者具体实施方式，所述步骤2具体包括；在选定的几何尺寸和材料力学参数的基础上，在三维多物理场建模环境下建立几何模型；具体实施时，在几何中绘制可调带隙式压电声子晶体单胞的图形，在材料中新建空材料，输入对应的材料参数，并将设置的材料参数赋予到相应的几何结构上；添加“压电，固体”物理场，压电材料选中压电片，在静电物理场中设置压电片上下端面电压。

21、对前述可调带隙式压电声子晶体的参数优化方法的进一步优化或者具体实施方式，所述物理模型建立过程中，网格划分时首先将条形板20与压电片21按照与幂律棱台1有无接触分为三段，将质量块22、条形板20和压电片21和幂律棱台1无接触的分段划分成结构化网格，然后将棱台划分成自由四面体网格，最后将其余部分扫掠为三棱柱网格。划分网格时要确保弹性波一个波长至少包含有5到6个单元。

22、其有益效果在于：

23、基于本发明的可调带隙式压电声子晶体可用于不同材料、不同厚度板材的振动控制，在实际应用时只需将根据板尺寸与振源频率设计可调带隙式压电声子晶体部分尺寸，使带隙频段覆盖载荷频率，即可实现对目标频率振动的阻隔。

24、相较于传统的减振结构，本发明具有方便快捷的调整方式，在实际实施过程中，可通过改变幂指数棱台幂次、条形板高度、质量块高度、棱台幂次等多个结构参数来快速有效的调节带隙频段；

25、亦可在保持可调带隙式压电声子晶体的结构形式不变的情况下，通过改变压电片上下端面的电压差来快速有效的调节带隙频段。

技术特征：

1.一种可调带隙式压电声子晶体，其特征在于，包括幂指数棱台(1)局域共振单元(2)、连接板(3)；

2.根据权利要求1所述的可调带隙式压电声子晶体，其特征在于，以矩形台(10)顶部的角点为坐标原点，以所述角点所在三个矩形台棱边为坐标轴建立xyz坐标系，其中z轴垂直向上，则该角点所对应处的幂指数台棱边可表示为：

3.根据权利要求1所述的可调带隙式压电声子晶体，其特征在于，所述幂指数棱台(1)由聚碳酸酯材料制成；条形板(20)由铝制成；质量块(22)由铁制成；压电片(21)为mfc压电纤维片；连接板(3)由钢板制成。

4.一种可调带隙式压电声子晶体的参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求1所述的可调带隙式压电声子晶体，其特征在于，所述步骤2具体包括；在选定的几何尺寸和材料力学参数的基础上，在三维多物理场建模环境下建立几何模型；具体实施时，在几何中绘制可调带隙式压电声子晶体单胞的图形，在材料中新建空材料，输入对应的材料参数，并将设置的材料参数赋予到相应的几何结构上；添加“压电，固体”物理场，压电材料选中压电片，在静电物理场中设置压电片上下端面电压。

6.根据权利要求1所述的可调带隙式压电声子晶体，其特征在于，所述物理模型建立过程中，网格划分时首先将条形板(20)与压电片(21)按照与幂律棱台(1)有无接触分为三段，将质量块(22)、条形板(20)和压电片(21)和幂律棱台(1)无接触的分段划分成结构化网格，然后将棱台划分成自由四面体网格，最后将其余部分扫掠为三棱柱网格。划分网格时要确保弹性波一个波长至少包含有5到6个单元。

技术总结本发明属于声子晶体设计领域，尤其涉及一种可调带隙式压电声子晶体及其参数优化方法。可调带隙式压电声子晶体包括幂指数棱台局域共振单元、连接板；幂指数棱台包括底部的矩形台以及从矩形台顶部向内凹陷形成的幂指数台；所述幂指数台的横截面为矩形，幂指数台棱边为幂指数曲线；局域共振单元包括：横置在幂指数台顶部的条形板、黏贴在条形板上侧中间位置的压电片、固定在条形板两端的质量块；所述连接板固定在幂指数棱台底部。基于本发明的可调带隙式压电声子晶体可用于不同材料、不同厚度板材的振动控制，在实际应用时只需将根据板尺寸与振源频率设计可调带隙式压电声子晶体部分尺寸，使带隙频段覆盖载荷频率，即可实现对目标频率振动的阻隔。技术研发人员：张振华,张展,金星受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学技术研发日：技术公布日：2024/4/22