[发明专利]一种基于多层圆柱型三维五模超构材料

说明书

本发明属于噪声控制技术领域，具体为基于多层圆柱型三维五模超构材料，超构材料的周期点阵结构形式为面心立方晶格结构，面心立方晶格结构是由16个基元在窄直径处相连构成；面心立方晶格结构的单元长度为a，基元的长度每个基元结构均由6个圆柱体组成。鉴于传统五模超构材料对应双锥单元为点接触，本发明采用圆柱体替代不仅有效改善了结构的稳定性，而且结构的可调参数更加丰富(d₁、D₂D₁、D₃、d₂、h₁、h₂、h₃)，通过精细调节结构参数，可以设计出具有更优异的五模特性、频率更低的完全声子禁带的五模超材料。在水下声波低频宽带调控、声隐身、减振降噪、地震防护等领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及噪声控制技术领域，具体为一种基于多层圆柱型三维五模超构材料。

背景技术

超材料是一类新型的人工合成材料，通常由周期结构或者非周期的人工微结构排列而成，具备天然材料所不具备的奇特物理特性。五模超材料作为良好流体性质的超材料，具有低频、宽带、全方向的优势。具有完全声子禁带的五模超材料不仅在单模工作频率范围内具有良好的流体性质、还拥有完全声子禁带频率区间。衡量五模特性的一个重要参数是其品质因数(FOM)，品质因数定义为体积模量B和剪切模量G的比值，品质因数越大，意味着其体积模量比剪切模量大的越多，五模超材料的流体特性就越好。

五模超材料的概念最早在1995年由Milton提出，但其所提出的理想五模超材料的双锥单元结构之间为点接触，由于结构的不稳定性会使得连接点在受到应力作用时而崩塌，不具有实用性。2012年，Kadic首次提出并制作了具有一定结构稳定性的五模超材料，但由于双锥单元具有很好的对称性，只有在窄直径很小时才能打开声子带隙。Cai等提出了非对称双锥型五模超构材料，通过降低晶格对称性获得了宽频声子带隙。但相邻连接双锥形成的重叠区域会造成实际有效的窄端接触直径与定义的接触锥直径存在一定误差，加之该结构的几何可调参数有限(仅可调D，d)，在使用3D打印技术制备宏观尺度的三维五模超构材料时，无法重复利用结构单元，因此有望构建和设计一种新型五模超构材料。

对于单质材料组成的五模超构材料，一般属于布拉格散射型五模超构材料，其晶格大小一般与工作频率所对应的声波波长在同一个数量级。如果利用布拉格散射型五模超构材料调控水下500Hz以下的低频声波，其声波调控器件的结构尺寸至少需要数十米，这为其工程应用带来很大的困难。因此，研究小尺寸五模超材料调控水下低频声波的方法与机理，建立工作频带在三维下的调控方法是亟待解决的核心问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进技术，本发明提供了一种基于多层圆柱型三维五模超构材料，能有效解决传统双锥型三维五模超材料存在的样品加工精度难度大、相邻连接双锥形成的重叠区域造成实际有效的窄端接触直径与定义的接触锥直径存在一定误差以及单元结构可调参数有限(仅可调D，d)等技术问题，设计出了一种新型三维五模超构材料，其具有更优异的五模特性、更低的完全声子带隙频率以及丰富的可调参数等特点；针对目前布拉格散射型五模超构材料在低频声波调控方面的不足，同时本发明的还可以设计为一种由复合材料组成的局域共振型五模超构材料，与传统基于双锥型三维局域共振型五模超构材料相比，本发明所设计的局域共振型五模超构材料能够将带隙频率降低到100Hz以下，此外带隙宽度也有所增加，为促进三维五模超材料在水下低频声波调控器件方面的应用提供理论依据及参考。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于多层圆柱型三维五模超构材料，所述超构材料的周期点阵结构形式为面心立方晶格结构，面心立方晶格结构是由16个基元在窄直径处相连构成；面心立方晶格结构的单元长度为a，基元的长度每个基元结构均由6 个圆柱体组成。