一种带隙可调的声子晶体及带隙调节方法

1.本发明涉及声子晶体领域，尤其涉及一种带隙可调的声子晶体及带隙调节方法。


背景技术：

2.随着现代工业的高速发展，加工生产日益大型化、集成化、复杂化，智能化，随之而来的是人类居住和工作的噪音和振动问题日益突出。降噪抑噪近年来一直是热门的研究课题。特别是针对噪音污染问题，国家对降噪抑噪的要求越来越多也更加全面系统。因此，如何有效抑制振动，降低噪音已成为工业生产和工民建发展的一个重要课题。
3.人工带隙材料作为一种基于结构设计的弹性常数及密度周期性排列的材料或结构在减振隔振中有着广泛的应用。即当弹性波在人工带隙材料中传播时，受到内部周期性散射体的作用，其在一定频率范围(带隙)内被阻止传播，而在其他频率范围(通带)可以继续传播。因此，通过合理设计人工带隙材料的带隙频率范围,可以实现在不同的频率范围内进行减振隔振。然而，人工带隙材料结构一旦设计成型,很难对其几何结构进行改变,只能在固定的频率范围内进行隔振。而且，一旦所得到的人工带隙材料和实际需要的带隙范围有偏差则需要重新制备。现有的可调带隙结构，主要是通过将压电材料(压电堆栈)、嵌入式磁铁(磁流变体)、形状记忆合金(温度/应力)、拉胀超材料(机构运动)引入到超材料设计中,在不改变超材料结构的情况下,通过改变外部物理激励实现对超材料带隙进行实时调控。由于上述可调带隙结构由于不可重构，只能在有限构型下的实现多级隔振。难以满足复杂多变的工程需求。
4.综上所述，在实时可调的隔振降噪方面，现有的结构主要存在控制精度差/ 操作繁琐和功能结构单一/不可重构的问题。因此，在实际工程建设中亟待一种可重构的带隙实时可调的声子晶体，既能满足实时带隙可调的功能需求，又能根据实际工况对人工带隙材料结构进行重构。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种控制精度高、带隙实时可调的声子晶体；本发明的另一目的提供一种操作简单的上述带隙可调的声子晶体的带隙调节方法。
6.技术方案：本发明提供了一种带隙可调的声子晶体，该声子晶体为二维流/ 固耦合型声子晶体，其晶格排列方式为正方晶格，主要可以用于构造c4v晶格。所述晶格以正方晶格为主但不限于正方晶格；声子晶体包括若干个通过薄带相连的柔性直角三棱柱、插拔式散射体和流体基体，插拔式散射体固定在柔性直角三棱柱内，插拔式散射体可随柔性直角三棱柱旋转，声学散射体下部周围填充流体基体；声子晶体包含初始构型、一级构型和二级构型，初始构型的单胞胞元由 16n个柔性直角三棱柱组成，一级构型的由柔性直角三棱柱组成2n个单胞胞元，二级构型由柔性直角三棱柱组成n个单胞胞元，声子晶体通过在构型间变换来调整带隙。
7.其中柔性直角三棱柱间的薄带连接处的厚度为0.2-1mm，该厚度经过优化既能为
结构形状的维持提供一定的预应力，又可以保证薄带的变形局域在柔性直角三棱柱101上顶面对应的连接处，从而提高结构变形精度和散射体所调控带隙的精度。
8.进一步地，插拔式散射体包括从上至下依次连接的声学散射体、连接层和定位柱，其中声学散射体位于连接层上方，连接层位于声学散射体和柔性直角三棱柱的顶面之间，定位柱置于柔性直角三棱柱内，柔性直角三棱柱内设有一与定位柱形状匹配的凹槽。
9.其中插拔式散射体通过光固化打印方式制成，散射体的材质为硬性树脂，其硬度远高于tpu的硬度。所述流体基体优选为水或甲醇。
10.更进一步地，插拔式散射体为第一插拔式散射体或第二插拔式散射体；第一插拔式散射体中，连接层的顶面为直角三角形，声学散射体固定在连接层的顶面的中垂线上；第二插拔式散射体中，连接层的顶面为直角三角形，声学散射体固定在连接层的顶面斜边上。
11.更进一步地，一级构型中，单胞胞元由八个柔性直角三棱柱组成，每两个直角三棱柱构成一个长方体，共组成四个长方体，四个长方体相靠近的面围成一底面为菱形的四棱柱空间，其中每个长方体中的两个声学散射体相对平行设置。
12.优选的，柔性直角三棱柱为柔性等腰直角三棱柱，其顶面为等腰直角三角形，声子晶体的一级构型的单胞满足如下几何关系：
13.a1＝2lcos(θ/2)
[0014][0015]
a＝2l[cos(θ/2)+sin(θ/2)]
[0016]
一级结构的泊松比为
[0017]
其中，a为单胞胞元的长度，即单胞胞元横向左右两顶点的距离；b为单胞胞元的宽度，即单胞胞元纵向两顶点的距离，a1为单胞胞元中横向两个长方体顶面的最上面的两顶点的距离；l为等腰直角三角形的腰长，θ为横向两个长方体的夹角，β为对应等腰直角三角形斜边偏离纵向直线的角度。
[0018]
更进一步地，声子晶体的二级构型中，单胞胞元由十六个柔性直角三棱柱组成，每四个直角三棱柱构成一个长方体，共组成四个长方体，四个长方体相靠近的面围设成一底面为菱形的四棱柱空间，其中声学散射体设在每个长方体顶面的四个边上。
[0019]
优选的，柔性直角三棱柱为柔性等腰直角三棱柱，其顶面等腰直角三角形，声子晶体的二级构型的单胞满足如下几何关系：
[0020][0021][0022][0023][0024]
二级结构的泊松比为v2＝-1；
[0025]
其中，a为单胞胞元的长度，即单胞胞元横向左右两顶点的距离；b为单胞胞元的宽度，即单胞胞元纵向两顶点的距离，a2为一半的单胞胞元的长度，b2为纵向两个长方体顶点
的最小距离，β为对应等腰直角三角形斜边偏离纵向直线的角度。
[0026]
进一步地，柔性直角三棱柱为柔性可重构的剪纸超构材料，通过tpu打印制成。优选的，柔性可重构的剪纸超构材料通过熔融堆积打印方式(fdm)制成。
[0027]
另一方面，本发明提供一种上述声子晶体的带隙调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0028]
(1)初始构型中，单胞胞元由四个柔性直角三棱柱组成，四个直角三棱柱相靠近的面围成一底面为菱形的四棱柱空间；
[0029]
(2)在初始构型中，固定声子晶体上下两边对应的a点，并对声子晶体纵向和横向同步施加压缩力，带动声学散射体的转动，使声子晶体从初始构型变换为一级构型；在一级构型中，固定声子晶体上下两边对应的a点，并对声子晶体纵向和横向同步施加拉伸力，使声子晶体从一级构型变换为初始构型；其中，选择位于声子晶体上下两边的每个单胞胞元中的最外侧的相邻的直角三棱柱的连接点作为a点；a点间的距离为b；
[0030]
(3)在初始构型中，固定声子晶体上下两边对应的b点，并对声子晶体纵向和横向同步施加压缩力，带动声学散射体的转动，使声子晶体从初始构型变换为二级构型；在二级构型中，固定声子晶体上下两边对应的b点，并对声子晶体纵向和横向同步施加拉伸力，使声子晶体从二级构型变换为初始构型，选择位于声子晶体上下两边的每两个单胞胞元中的最外侧距离最远的两个直角三棱柱的最外侧点作为b点；b点间的距离为b；
[0031]
(4)根据带隙需求，将声子晶体从初级构型变换为一级构型或二级构型，从一级构型或二级构型变换为初级构型，再从初级构型变换为一级构型或二级构型以适应不同工况；根据带隙需求，通过调整各级构型的柔性直角三棱柱夹角，完成各级构型下带隙的调整。
[0032]
进一步地，使用双轴变距模组加载装置向声子晶体施加拉伸力或压缩力，进行带隙调整；所述双轴变距模组加载装置包括一对对称设置的变距模组的导轨，变距模组的导轨内各安装有一变距模组导杆驱动单元，变距模组导杆驱动单元的一端安装有第一步进电机，另一端安装有第一限位帽；贯穿两个变距模组的导轨且与变距模组的导轨垂直设置有若干第二导杆，第二导杆一端安装有第二步进电机，另一端安装有第二限位帽；变距模组的导轨内且与变距模组的导轨平行设置有若干第一导杆，第一导杆一端安装有第三步进电机，另一端安装有第三限位帽；第一导杆下设有型材；型材上对称设有两个矩形钢材，矩形钢材通过滑块与型材连接，两个矩形钢材可在滑块的带动下相互靠近或分离；变距模组导轨的顶部固定有加载夹具，加载夹具用于固定声子晶体的a点或b点。
[0033]
更进一步地，所述双轴变距模组加载装置外围设有用于向散射体下部周围填充流体基体的水槽，水槽下设有用于将水槽固定在平面上的固定装置，水槽上设有水平仪，固定装置在水槽的四角上分别安装有水槽固定滑块，水槽固定滑块与水槽连接，水槽固定滑块上顶面安装有直线步进电机，用于带动水槽固定滑块上下移动。
[0034]
本发明的双轴变距模组加载装置用于调控柔性剪纸超构材料的几何构型；直线步进电机升降平台与水平仪用于水槽的调平；水槽用于柔性直角三棱柱的周围填充流体；本发明通过改变双轴变距模组加载夹具的作用位置与数量实现柔性直角三棱柱在运动分叉点处发生运动路径的切换，从而实现了声子晶体的重构。这种多级构型共存的声子晶体，该声子晶体具有c4v对称性，可用于动态调控结构的声学拓扑特性和声波的传播。本发明通过
驱动柔性直角三棱柱的运动，实现了实时动态可调的带隙，且插拔式散射体的设计提高了柔性剪纸超构材料刚度，进而提高了变形的可靠性；同时插拔式声学散射体设计灵活、操作方便易于带隙调控的设计。
[0035]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
[0036]
(1)多功能集成的人工带隙材料，表现出优异的功能集成特性，基于可重构剪纸带隙可调的声子晶体兼具可设计的泊松比(正泊松比/负泊松比)；
[0037]
(2)声子晶体的散射体为插拔式散射体便于散射体的拆卸，进而降低实际使用中的维修成本；通过改变散射体的形状和组合方式可以实现拓扑特性的调制；
[0038]
(3)带隙结构控制精度高，带隙调节方法操作简单，本发明的声子晶体结构不仅实现了精准的带隙实时可调；而且，为声学拓扑特性的研究和功能型力学超材料的设计提供了良好的实验设计平台；本发明既具有很好的经济效益和社会效益，也具有广阔的科研研究价值和应用前景。
附图说明
[0039]
图1为本发明的声子晶体的俯视图；
[0040]
图2为具有第一插拔式散射体的声子晶体结构示意图；
[0041]
图3为第一插拔式散射体的结构示意图；(a)为立体结构示意图，(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；
[0042]
图4为具有第二插拔式散射体的声子晶体结构示意图；
[0043]
图5第二插拔式散射体的结构示意图；(a)为立体结构示意图，(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；
[0044]
图6为一级构型的单胞的示意图；
[0045]
图7为二级构型的单胞的示意图；
[0046]
图8为本发明实施例提供的一种用于调节声子晶体带隙装置的整体立体图；
[0047]
图9为双轴变距模组加载装置局部俯视图；
[0048]
图10为双轴变距模组加载装置中变距模组以及其上部分零件的局部立体图；
[0049]
图11为双轴变距模组加载装置中矩形钢材及其上部分零件局部立体图；
[0050]
图12为双轴变距模组加载装置及水槽的整体俯视图；
[0051]
图13为水槽及其调平的升降装置局部立体图；
[0052]
图14为四台直线步进电机升降平台的局部立体图；
[0053]
图15为水槽及其上零件的局部立体图；
[0054]
图16为实例1中基于可重构剪纸带隙可调的声子晶体一级和二级及过度态过程中几种典型状态的散射体布局示意图；
[0055]
图17为实例1中基于可重构剪纸带隙可调的声子晶体在一级结构(θ＝45
°
) 的能带结构；
[0056]
图18为实例1中基于可重构剪纸带隙可调的声子晶体在一级结构(θ＝90
°
) 的能带结构；
[0057]
图19为实例1中基于可重构剪纸带隙可调的声子晶体在二级结构(θ＝0
°
) 的能带结构；
[0058]
图20为实例1中基于可重构剪纸带隙可调的声子晶体在二级结构(θ＝45
°
) 的能带结构；
[0059]
附图标记，1、声子晶体；101、柔性直角三棱柱；102、插拔式散射体；1021、声学散射体；1022、连接层；1023、定位柱；2、加载夹具；3、变距模组的导轨； 4、变距模组导杆驱动单元；5、第一步进电机；6、第一限位帽；7、矩形钢材； 8、滑块；9、型材；10、第一导杆；11、第二步进电机；12、第二限位帽；13、第三步进电机；14、第三限位帽；15、水槽；16、水平仪；17、直线步进电机； 18、水槽固定滑块；19、固定装置；20、第二导杆。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0061]
如图1所示，在一实施例中，提供一种带隙可调的声子晶体1，声子晶体为二维流/固耦合型声子晶体，其晶格排列方式以正方晶格，主要可以用于构造考虑滑移对称性和空间反演对称性以及c4旋转对称性的c4v点群。所述晶格以正方晶格为主但不限于正方晶格。
[0062]
所述声子晶体1包括若干个通过薄带相连的柔性直角三棱柱101、插拔式散射体102和流体基体，柔性直角三棱柱101为柔性可重构的剪纸超构材料，通过 tpu打印制成。其中柔性直角三棱柱101间的薄带连接处的厚度经过优化既能为结构形状的维持提供一定的预应力，又可以保证薄带的变形局域在柔性直角三棱柱101上顶面对应的连接处，从而提高结构变形精度和散射体所调控带隙的精度。
[0063]
所述插拔式散射体102固定在柔性直角三棱柱101内，插拔式散射体102 可随柔性直角三棱柱101旋转，声学散射体1021下部周围填充流体基体；插拔式散射体通过光固化打印方式制成，散射体的材质为硬性树脂，其硬度远高于tpu的硬度。所述流体基体优选为水或甲醇。
[0064]
如图2-3所示，在一实施例中，插拔式散射体102包括从上至下依次连接的声学散射体1021、连接层1022和定位柱1023，其中声学散射体1021位于连接层1022顶面之上，连接层1022位于声学散射体1021和柔性直角三棱柱101的顶面之间，定位柱1023置于柔性直角三棱柱101内，柔性直角三棱柱101内设有一与定位柱1023形状匹配的凹槽。插拔式散射体102为第一插拔式散射体，其连接层1022的顶面为直角三角形，声学散射体1021固定在连接层1022的顶面的直角三角形中垂线上。
[0065]
如图4-5所示，在一实施例中，插拔式散射体102包括从上至下依次连接的声学散射体1021、连接层1022和定位柱1023，其中声学散射体1021位于连接层1022顶面之上，连接层1022位于声学散射体1021和柔性直角三棱柱101的顶面之间，定位柱1023置于柔性直角三棱柱101内，柔性直角三棱柱101内设有一与定位柱1023形状匹配的凹槽。插拔式散射体102为第二插拔式散射体，其连接层1022的顶面为直角三角形，声学散射体1021固定在连接层1022的顶面直角三角形的斜边上。
[0066]
在一实施例中，插拔式散射体102的上部的声学散射体1021为扁平的长方体，中间连接层1022为直角三棱柱，与柔性直角三棱柱101大小完全相，用于提升柔性tpu的刚度和散射体各部分间的连接强度；插拔式散射体102的下部的中心定位柱1023为长方体。其中，声学散射体的长、宽、高分别为it,wt和 h；声学散射体的尺寸(it,wt和h)与布局由所需带隙和拓扑特性确定。每个柔性直角三棱柱上具有一个与中心定位柱1023匹配的长方体定位
凹槽，中心定位柱1023的尺寸比柔性直角三棱柱101内的长方体定位凹槽略小。
[0067]
中心定位柱1023也可采用其他直棱柱来提高散射体的定位精度，并用于插拔式散射体固定和带动散射体旋转。
[0068]
在一实施例中，除了初始构型外，声子晶体含一级构型和二级构型这两种构型，每种构型的超胞至少包含8个周期以确保带隙和声学拓扑特性可以容易的探测。初始构型的单胞胞元由16n个柔性直角三棱柱组成，一级构型的单胞胞元由柔性直角三棱柱组成2n个单胞胞元，二级构型由柔性直角三棱柱组成n个单胞胞元，声子晶体通过在构型间变换来调整带隙。
[0069]
在一实施例中，初始构型的单胞胞元由四个柔性直角三棱柱组成，四个直角三棱柱相靠近的面围成一菱形柱空间；一级构型中，单胞胞元由八个柔性直角三棱柱组成，每两个直角三棱柱构成一个长方体，共组成四个长方体，四个长方体相靠近的面围成一底面为菱形的四棱柱空间，其中每个长方体中的两个声学散射体相对平行设置；二级构型中，单胞胞元由十六个柔性直角三棱柱组成，每四个直角三棱柱构成一个长方体，共组成四个长方体，四个长方体相靠近的面围设成一底面为菱形的四棱柱空间，其中声学散射体设在每个长方体顶面的四个边上。
[0070]
在一实施例中，如图所示，柔性直角三棱柱为柔性等腰直角三棱柱，柔性等腰直角三棱柱的顶面为等腰直角三角形，边长为l，连接处的厚度t约为边长的百分之一。每个直角三棱柱上具有一个长方体定位凹槽，用于插拔式散射体固定和带动散射体旋转；这里的长方体凹槽的深度约为边长的1/3，凹槽的长宽分别约为边长的1/2和1/5；
[0071]
在一实施例中，考虑声学带隙调控和拓扑特性研究所用的胞元数较多、胞元尺寸也在厘米级，柔性可重构的剪纸超构材料的厚度h与胞元中等腰三角形的边长相同。另外，柔性可重构的剪纸超构材料所对应两种构型的作用点如图1 所示，即当变距模组加载夹具作用在柔性剪纸超构材料对应的a点时，该声子晶体被定义为一级构型。当变距模组加载夹具作用在柔性剪纸超构材料对应的b 点时，该声子晶体被定义为二级构型。
[0072]
具体的，声子晶体的带隙调节方法，包括以下步骤：
[0073]
(1)初始构型中，单胞胞元由四个柔性直角三棱柱组成，四个直角三棱柱相靠近的面围成一底面为菱形的四棱柱空间；
[0074]
(2)在初始构型中，固定声子晶体上下两边对应的a点，并对声子晶体纵向和横向同步施加压缩力，带动声学散射体的转动，使声子晶体从初始构型变换为一级构型；在一级构型中，固定声子晶体上下两边对应的a点，并对声子晶体纵向和横向同步施加拉伸力，使声子晶体从一级构型变换为初始构型；其中，选择位于声子晶体上下两边的每个单胞胞元中的最外侧的相邻的直角三棱柱的连接点作为a点；
[0075]
(3)在初始构型中，固定声子晶体上下两边对应的b点，并对声子晶体纵向和横向同步施加压缩力，带动声学散射体的转动，使声子晶体从初始构型变换为二级构型；在二级构型中，固定声子晶体上下两边对应的b点，并对声子晶体纵向和横向同步施加拉伸力，使声子晶体从二级构型变换为初始构型，选择位于声子晶体上下两边的每两个单胞胞元中的最外侧距离最远的两个直角三棱柱的最外侧点作为b点；
[0076]
(4)根据实际工况需求，将声子晶体从初级构型变换为一级构型或二级构型，从一级构型或二级构型变换为初级构型，再从初级构型变换为一级构型或二级构型以适应不同
工况。根据带隙需求，通过调整各级构型的柔性直角三棱柱夹角，完成各级构型下带隙的调整。
[0077]
如图6所示，其中一级构型的声子晶体满足如下几何关系
[0078]
a1＝2lcos(θ/2)
[0079][0080]
a＝2l[cos(θ/2)+sin(θ/2)]
[0081]
一级结构的泊松比为
[0082]
如图7所示，二级构型的剪纸超构材料满足如下几何关系
[0083][0084][0085][0086][0087]
因此，二级结构的泊松比为v2＝-1。
[0088]
如图8所示，在一实施例中，提供的一种用于调节声子晶体带隙装置，所述装置包括双轴变距模组加载装置，双轴变距模组加载装置用于向声子晶体施加拉伸力或压缩力，进行带隙调整。
[0089]
如图9-11所示，双轴变距模组加载装置包括电路同步触发装置、加载夹具2、变距模组的导轨3、变距模组导杆驱动单元4、第一步进电机5、第一限位帽6、矩形钢材7、滑块8、型材9、第一导杆10、第二步进电机11、第二限位帽12、第三步进电机13、第三限位帽14和第二导杆20。电路同步触发装置用于通过控制电路实现变距模组和矩形钢材7的双轴加载。
[0090]
变距模组导杆驱动单元4的一端安装有第一步进电机5，另一端安装有第一限位帽6，其中变距模组的导轨3安装在变距模组导杆驱动单元4内，二者构成多工位变距模组，一对多工位变距模组横向对称设置，多工位变距模组垂直方向设有若干，多工位变距模组的工位上安装有若干第二导杆20，第二导杆20贯穿两个多工位变距模组，第二导杆20一端安装有第二步进电机11，另一端安装有第二限位帽12；多工位变距模组内与其平行设有若干第一导杆10，第一导杆10 一端安装有第三步进电机13，另一端安装有第三限位帽14；第一导杆10下设有型材9；型材9上对称设有两个矩形钢材7，矩形钢材7通过滑块8与型材9连接，两个矩形钢材7可在滑块8的带动下相互靠近或分离；变距模组的导轨3 的顶部固定有加载夹具2，加载夹具2用于固定声子晶体对应的a点或b点。在电路同步触发装置的控制下，通过各步进电机的导轨、导杆驱动双轴变距模组加载装置加载来调控各级构型下的带隙和拓扑特性。
[0091]
具体的，所述多工位的变距模组的滑动组件上安装可拆卸的加载夹具2，便于根据实际加载需求更换合适的加载夹具。为了保证加载夹具2的刚度，加载夹具2的厚度至少大于3mm。为了避免加载夹具2对试样的损害，对加载夹具2 的加载端进行倒角处理。因此，本发明所采用的等距加载方式有效的解决了传统双轴压缩时加载夹具干涉的问题。另外，所
述柔性可重构的剪纸超构材料受到横向和纵向的双轴加载，加载夹具作用点位于柔性剪纸的薄带连接处。柔性剪纸结构变形过程中，柔性剪纸结构处于拉应力状态。由于刚度差异较大(引入的硬质树脂散射体)变形主要集中在中间薄带，整个柔性剪纸结构受力均匀，变形协调。为了避免压缩加载时摩擦对变形的扰动，加载夹具的加载端涂抹适当的润滑剂。因此，本发明通过机械加载结构可以精准地调控柔性可重构剪纸的带隙。
[0092]
所述变距模组的加载夹具2通过变距模组导杆驱动单元4调节至适当的作用位置作为驱动柔性直角三棱柱101运动的作用点，进而带动声学散射体的转动。同时，在声子晶体1下放置四根型材来保证驱动装置的稳定性和防止声子晶体1 发生大的弯曲变形。在横向(纵向)方向，通过步进电机导杆驱动多工位变距模组和矩形钢材7压缩或拉伸柔性可重构的声子晶体1。然后，在电路同步触发装置的控制下，根据柔性可重构的声子晶体1的实际运动路径不断调整加载夹具的作用位置。同时，通过导杆不断调整多工位变距模组和矩形钢材7的间距实现双轴加载。这里，每根型材9都由一个步进电机独立控制，根据声子晶体1的变形调节型材之间的相对距离。靠近多工位变距模组的型材9，通过焊接的方式与多工位变距模组固结在一起。另外，矩形钢材7与型材9通过滑块8相连接，矩形钢材7通过穿过滑块8的导杆驱动其沿型材9的导轨运动。多工位变距模组上加载夹具2所对应的最外层声子晶体1不安装插拔式散射体，主要用于引导柔性剪纸结构的变形。
[0093]
如图12-15所示，在一实施例中，双轴变距模组加载装置外设有一水槽15，水槽15用于填充流体基体，流体基体覆盖柔性直角三棱柱101，流体基体不超过声学散射体1021的位置。所述流体基体为水或甲醇。另外，水槽边缘的一侧有出水口并用橡胶塞堵塞。
[0094]
在一实施例中，升降装置为直线步进电机升降平台，直线步进电机升降平台包括直线步进电机17和固定装置19，直线步进电机17安装在固定装置19上，直线步进电机17和固定装置19间安装有水槽固定滑块18，直线步进电机升降平台通过水槽固定滑块18与水槽15连接。具体的，固定装置19与实验室工作台面固定，水槽固定滑块18分别与水槽15的四个角相连接，并将水平仪16嵌入到水槽15相邻两边得中间部分，用于判断水槽15是否处于水平状态，然后由直线步进电机17调节水槽高度来保证其水平。
[0095]
实例1
[0096]
拟设计的基于可重构剪纸的带隙可调的声子晶体，整个一级结构横向和纵向的胞元分别为21个和17个，共计357个胞元，其中横向和纵向分别插入40
×
32，共计1280个散射体。其主要尺寸参数包括：
[0097]
柔性直角三棱柱为等腰直角柔性三棱柱，其直角边长的长度20mm、高为 20mm，柔性三棱柱连接处柔性薄带的厚度约为0.2mm。定位柱的长方体定位凹槽深度为7.5mm,凹槽的长宽分别10mm和3.5mm.其中，柔性三棱柱和薄带的材质为polyflex tpu95,弹性模量e＝9.4mpa,泊松比v＝0.45,密度ρ＝1240kg/m3。柔性可重构的剪纸超构材料的初始打印状态为两种构型之间的过渡状态(初级构型)。其中，胞元夹角θ＝30
°
，整个模型长935.1mm、宽754.3mm、厚20mm。
[0098]
定位柱的长和宽分别为9.9mm和3.4mm,其高度为7.4mm.、连接层为等腰直角三棱柱，其边长为20mm、高为3mm。其中声学散射体的长、宽分别为19.2mm 和3mm,高度为20mm，布局如图3所示。所采用材质为光固化树脂，弹性模量 e＝2510mpa,泊松比v＝0.41,密度ρ＝1160kg/m3.
[0099]
双轴变距模组共计由21个工位，每个工位上安装厚度为3mm的刚性的加载夹具，其材质为45钢材，弹性模量e＝210gpa,泊松比v＝0.3,密度ρ＝7870kg/m3。双轴变距模组的长度为1200mm，宽50mm，高100mm。贯穿水槽和矩形钢材的滑块的导杆长1650mm，直径为15mm。在柔性剪纸超构材料下方放置四根型材长度为1200mm，宽100mm，高100mm。其材质为铝材，弹性模量e＝70gpa, 泊松比v＝0.35,密度ρ＝2700kg/m3。贯穿水槽和四根型材的导杆的长度为1450mm、直径为20mm。矩形钢材长760mm、宽50mm、高20mm。其材质为45钢材，弹性模量e＝210gpa,泊松比v＝0.3,密度ρ＝7870kg/m3.沿导轨方向的导杆的长度为1650mm、直径为15mm。
[0100]
水槽的长1500mm、宽1300mm、高150mm，四周厚度30mm，底部厚10mm。其材质为45钢材，弹性模量e＝210gpa,泊松比v＝0.3,密度ρ＝7870kg/m3。
[0101]
四根长500mm、直径20mm的导杆，通过限位结构固定在工作台上。
[0102]
根据两种柔性剪纸结构构型对应加载夹具的作用点位置的差异，给出如下作用位置的位置关系；
[0103]
1、一级构型结构，加载夹具作用点位于a点，初始间距54.3mm
[0104]
两加载夹具之间的距离满足如下关系，
[0105][0106]
其中b是两加载夹具之间的距离，l是等腰直角三棱柱的底边边长，β是如图6所示的夹角。
[0107]
其对应的泊松比满足
[0108]
基于一级构型，我们通过数值模拟给出了其在图16所示θ＝45
°
和θ＝90
°
的带隙。由图17、18可知，当夹角从θ＝90
°
变到θ＝45
°
时，第一带隙由图示通带变成14.40-17.72khz，带隙3.32khz。
[0109]
2、二级构型结构，加载夹具作用点位于b点，初始间距108.6mm
[0110][0111]
其中b是两加载夹具之间的距离，l是等腰直角三棱柱的底边边长，β是如图7所示的夹角。
[0112]
其对应的泊松比满足v2＝-1。
[0113]
基于二级构型，我们通过数值模拟给出了其在图16所示的θ＝45
°
和θ＝ 0
°
的带隙。由图19、20可知，当夹角从θ＝45
°
变到θ＝0
°
时，第一带隙由 18.02-25.01khz变成16.23-24.7khz。不仅带宽扩宽了1.32khz带隙的下截止频率也降低了1.79khz。
[0114]
因此，本发明所述的基于可重构剪纸的带隙可调的声子晶体，在其构型变化后不仅实现了带隙频率变化范围的重构，而且实现了结构泊松比变化范围的重构。插拔式的声学散射体设计，双轴加载设计为可调声学特性的研究提供了一个良好的实验平台。

技术特征：
1.一种带隙可调的声子晶体，其特征在于，声子晶体包括若干个通过薄带相连的柔性直角三棱柱、插拔式散射体和流体基体，插拔式散射体固定在柔性直角三棱柱内，插拔式散射体可随柔性直角三棱柱旋转，声学散射体下部周围填充流体基体；声子晶体包含初始构型、一级构型和二级构型，初始构型由16n个柔性直角三棱柱组成，一级构型由柔性直角三棱柱组成2n个单胞胞元，二级构型由柔性直角三棱柱组成n个单胞胞元，声子晶体通过在构型间变换来调整带隙。2.根据权利要求1所述的带隙可调的声子晶体，其特征在于，插拔式散射体包括从上至下依次连接的声学散射体、连接层和定位柱，其中声学散射体位于连接层上方，连接层位于声学散射体与柔性直角三棱柱的顶面之间，定位柱置于柔性直角三棱柱内，柔性直角三棱柱内设有一与定位柱形状匹配的凹槽。3.根据权利要求2所述的带隙可调的声子晶体，其特征在于，插拔式散射体为第一插拔式散射体或第二插拔式散射体；第一插拔式散射体中，连接层的顶面为直角三角形，声学散射体固定在连接层的顶面的中垂线上；第二插拔式散射体中，连接层的顶面为直角三角形，声学散射体固定在连接层的顶面斜边上。4.根据权利要求2所述的带隙可调的声子晶体，其特征在于，一级构型中，单胞胞元由八个柔性直角三棱柱组成，每两个直角三棱柱构成一个长方体，共组成四个长方体，四个长方体相靠近的面围成一菱形柱空间，其中每个长方体中的两个声学散射体相对平行设置。5.根据权利要求2所述的带隙可调的声子晶体，其特征在于，二级构型中，单胞胞元由十六个柔性直角三棱柱组成，每四个直角三棱柱构成一个长方体，共组成四个长方体，四个长方体相靠近的面围成一菱形柱空间，其中声学散射体设在每个长方体顶面的四个边上。6.根据权利要求1所述的带隙可调的声子晶体，其特征在于，柔性直角三棱柱为柔性可重构的剪纸超构材料，通过tpu打印制成。7.一种根据权利要求1-6任一所述的声子晶体的带隙调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)初始构型中，单胞胞元由四个柔性直角三棱柱组成，四个直角三棱柱相靠近的面围成一底面为菱形的四棱柱空间；(2)在初始构型中，固定声子晶体上下两边对应的a点，并对声子晶体纵向和横向同步施加压缩力，带动声学散射体的转动，使声子晶体从初始构型变换为一级构型；在一级构型中，固定声子晶体上下两边对应的a点，并对声子晶体纵向和横向同步施加拉伸力，使声子晶体从一级构型变换为初始构型；其中，选择位于声子晶体上下两边的每个单胞胞元中的最外侧的相邻的直角三棱柱的连接点作为a点；(3)在初始构型中，固定声子晶体上下两边对应的b点，并对声子晶体纵向和横向同步施加压缩力，带动声学散射体的转动，使声子晶体从初始构型变换为二级构型；在二级构型中，固定声子晶体上下两边对应的b点，并对声子晶体纵向和横向同步施加拉伸力，使声子晶体从二级构型变换为初始构型，选择位于声子晶体上下两边的每两个单胞胞元中的最外侧距离最远的两个直角三棱柱的最外侧点作为b点；(4)根据工况需求，将声子晶体先从初级构型变换为一级构型或二级构型，然后从一级构型或二级结构变换为初级构型，再从初级结构变换为一级构型或二级结构，以适应不同工况；根据带隙需求，通过调整各级构型的柔性直角三棱柱夹角，完成各级构型下带隙的调
整。8.根据权利要求7所述的声子晶体的带隙调节方法，其特征在于，使用双轴变距模组加载装置向声子晶体施加拉伸力或压缩力，进行带隙调整；所述双轴变距模组加载装置包括一对对称设置的变距模组的导轨(3)，变距模组的导轨(3)内各安装有一变距模组导杆驱动单元(4)，变距模组导杆驱动单元(4)的一端安装有第一步进电机(5)，另一端安装有第一限位帽(6)；贯穿两个变距模组的导轨(3)且与变距模组的导轨(3)垂直设置有若干第二导杆(20)，第二导杆(20)一端安装有第二步进电机(11)，另一端安装有第二限位帽(12)；变距模组的导轨(3)内与变距模组的导轨(3)平行设有若干第一导杆(10)，第一导杆(10)一端安装有第三步进电机(13)，另一端安装有第三限位帽(14)；第一导杆(10)上设有型材(9)；型材(9)上对称设有两个矩形钢材(7)，矩形钢材(7)通过滑块(8)与型材(9)连接，两个矩形钢材(7)可在滑块(8)的带动下相互靠近或分离；变距模组的导轨(3)的顶部固定有加载夹具(2)，加载夹具(2)用于固定声子晶体对应的a点或b点。9.根据权利要求7所述的声子晶体的带隙调节方法，其特征在于，双轴变距模组加载装置外围设有用于向声学散射体下部周围填充流体基体的水槽(15)，水槽(15)下设有用于将水槽(15)固定在平面上的固定装置(19)，水槽(15)上设有水平仪(16)。10.根据权利要求9所述的声子晶体的带隙调节方法，其特征在于，固定装置(19)的四角上分别安装有水槽固定滑块(18)，水槽固定滑块(18)与水槽(15)连接，水槽固定滑块(18)上顶面安装有直线步进电机(17)，用于带动水槽固定滑块(18)上下移动。

技术总结
本发明公开了一种带隙可调的声子晶体及带隙调节方法，所述声子晶体的包括若干个通过薄带相连的柔性直角三棱柱、插拔式散射体和流体基体，插拔式散射体固定在柔性直角三棱柱内，插拔式散射体可随柔性直角三棱柱旋转，声学散射体下部周围填充流体基体；声子晶体通过在构型间变换来调整带隙。本发明通过驱动声子晶体中柔性直角三棱柱的运动，实现了实时动态可调的带隙，且插拔式散射体的设计提高了柔性剪纸超构材料刚度，进而提高了变形的可靠性；同时插拔式声学散射体设计灵活、操作方便易于带隙调控的设计。其次，该声子晶体具有C4V对称性，可用于动态调控结构的声学拓扑特性和声波的传播。的传播。的传播。


技术研发人员：张秀娟 何玉龙 刘乐
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2022.07.07
技术公布日：2022/11/1