聲子晶體中的聲學和彈性平帶形成方法及由其形成的設備

聲子晶體中的聲學和彈性平帶形成方法及由其形成的設備

聲子晶體中的聲學和彈性平帶形成方法及由其形成的設備是由K·亞諾 S·吳 G·朱 D·班納吉 N·Z.·溫斯特克 P·A.·戴伊米爾 發明開發。

提供了適于衰減機械振動以及通過介質傳播的聲振動的聲子設備。通過在基體中周期性包括材料域,實現了顯著的振動衰減,其中所述域和基體之間聲音的縱向速度(C)和聲音的橫向L速度(C)的比率的變化分別等于或大于2.0和T40。

[0001] 本公開內容總體上針對聲子晶體(PC),并且更具體地說涉及適于衰減機械振動以及通過介質傳播的聲振動的聲子超構材料(phononic?metamaterial)。

背景技術

[0002] 聲子超構材料使得能夠在不同介質中既操縱彈性波又操縱聲波,從衰減(包括吸收和反射)到耦合、隧道化、負折射和聚焦。特別地,振動(諸如通過固體的矢量機械振動)的衰減或者介質中(諸如空氣或水中)的標量聲振動,對于其中這種振動的存在影響所討論設備或實體(諸如但不限于車輛)預期性能的應用,在技術上是重要的。這種影響的另一個例子是聲音助聽器中高頻(>2KHz)聲音的衰減。

[0003] 一般而言,聲學材料可以根據它們對聲音的效果來分類。隔音材料是一種聲學材料,相對于固態材料,它可以截獲并反射通過諸如空氣的液態介質傳播的聲波(換句話說,彈性波)。隔音器通常是具有高表面密度的材料,例如磚和混凝土。

[0004] 吸聲材料通常是一種多孔的聲學材料,使得空氣傳播的聲波可以傳播到材料中,由于材料內的摩擦,聲波的機械或振動能量通過把能量轉換成熱能而減小。吸聲材料的例子包括開孔泡沫塑料、玻璃纖維、毯子等。

[0005] 同樣,相對于空氣,減振材料是可以截獲通過固態材料傳播的聲波的聲學材料。由于減振材料的變形,聲波的機械或振動能量通過把聲音的能量轉換成熱能而減小。減振材料通常直接應用到固態材料的表面。減振材料的例子包括橡膠、塑料、含瀝青的或加載乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)的材料等。

[0006] 關于彈性PC的大部分研究集中在識別絕對和/或部分聲子帶隙、控制縱向和橫向振動的傳播方向以及衰減聲學信號之間的相位關系。其它研究考慮剛性主體旋轉(Mie散射的結果)在修改聲子結構中傳播的批量模式(bulk? mode)中所起的作用。旋轉共振模式會與Bragg間隙強烈交互,產生極寬的絕對聲學帶隙。由有限大小的質量和無質量的彈簧組成的一維(1D)集總(lumped)模型可以進一步用于提供對兩維(2D)固體/固態PC中旋轉共振背后底層物理性質的理解。

[0007] 彈性連續體理論是由Cosserat兄弟建立的,除經典彈性理論中所使用的標準平移自由度之外,這種理論還說明了各個元素的旋轉自由度。在Cosserat模型中,每個材料元素都具有六個自由度-三個用于平移(在xyz方向),三個用于旋轉(俯仰、側轉和滾轉)。該理論介紹了對扭矩實現與經典彈性應力張量對力所起的作用相同的耦合-應力張量(一個由于旋轉和剪切波的耦合引起的分量)。在一種實施例中,Cosserat連續彈性理論可以用于預測旋轉自由度(例如,旋轉波模式)會強烈修改剪切波的分散。關于旋轉彈性波,特征在于三維(3D)粒狀PC-由預先壓縮的、規則布置的球形彈性粒子組成的結構。在這些當中,Hertz-Mindlin接觸模型可以用于表示PC的元素之間的連接。

[0008] 在一個相關的方面,車輛的主體結構利用增加的剛度設計制造,以便改進車輛操控性和抵抗沖擊的能力。隨著車輛主體結構剛度增加,通過主體結構的噪聲和振動的發送也增加。為了最小化振動傳輸,減振材料和/或減聲材料板通常放在振動和噪聲最普遍的地方并且有可能影響車輛部件的性能以及它們與乘客的交互。這種方法的成效有限而且噪聲管理仍然是一個不斷增長的問題。

[0009] 因而,仍然存在對將與例如現代車輛關聯的增加的剛度需求兼容的改進的減聲和減振以及衰減材料的需求。

內容

[0010] 在各種實施例中公開了適于衰減機械振動以及通過介質例如空氣或金屬部件傳播的聲振動的超構材料。

[0011] 在一種實施例中,提供了一種聲子超構材料設備,該設備包括由形成兩維和/或三維晶格的熱塑性樹脂的多個周期性重復晶胞(unit? cell)的分散相組成的彈性體陣列或基體,其中熱塑性樹脂與彈性體樹脂之間聲音的縱向速度(C )和聲音的橫向速度(C )的比率L T分別等于或大于大約2.0和大約40.0。

[0012] 在另一種實施例中,提供了一種衰減聲子設備中彈性和/或聲學帶隙頻率的方法,該方法包括:提供聲子設備,該聲子設備包括由形成兩維晶格的熱塑性樹脂的多個周期性重復晶胞或域的分散相形成或組成的彈性體的兩維陣列或基體,其中熱塑性樹脂與彈性體之間聲音的縱向速度(C )和聲音的橫向速度(C )的比率分別等于或大于大約2.0和大約L T40.0。該方法還包括控制所述多個周期性重復域的分散相的填充率(ff)和域半徑的步驟,其中填充率(ff)配置為在多個周期性重復域的相鄰域之間形成彈性體的內切體積,以衰減彈性和/或聲學帶隙的頻率。通過分散相和基體的分級濃度(fractional? concentration)變化,控制聲子傳輸??刂品稚⑾嗟姆旨墲舛?,以在分散相區域之間形成對衰減彈性和/或聲學帶隙的頻率非常有效的間質區(interstitial? region)。具體描述包括圓柱體和球體的各種分散相域形狀。

[0013] 在還有另一種實施例中,提供了在聲子設備中衰減彈性和/或聲學帶隙的頻率的方法,該方法包括提供聲子設備,該設備包括包含形成三維晶格的熱塑性樹脂的多個周期性重復球形晶胞或域的分散相的彈性體的陣列或基體,其中熱塑性樹脂與彈性體之間聲音的縱向速度(C )和聲音的橫向速度(C )的比率分別等于或大于大約2.0和大約40.0。該方法L T還包括控制多個周期性重復域的分散相的填充率(ff)和域半徑的步驟,其中填充率(ff)配置為在多個周期性重復域的相鄰域之間形成彈性體的內切體積,以衰減彈性和/或聲學帶隙的頻率。通過分散相的分級濃度以及球體半徑的變化,控制聲子傳輸。分散相的分級濃度與球體半徑成反比并且配置為在熱塑性樹脂的相鄰球體之間形成彈性體的內切體積。通過把設備放成與車輛主體振動接觸,來自主體結構的振動被很好地衰減。

[0014] 當結合附圖和例子閱讀時,根據以下具體描述,聲子超構材料以及衰減其中帶隙頻率的過程的這些及其它特征將變得顯而易見,這種描述是示例性的,而不是要限定所附權利要求的范圍。

技術要求書

1.一種聲子超構材料設備,包括:彈性體基體,以及熱塑性樹脂的多個周期性重復域的分散相,所述多個周期性重復域形成兩維或三維晶格;其中所述熱塑性樹脂中聲音的縱向速度與所述彈性體中聲音的縱向速度的比率大于或等于2.0,以及其中所述熱塑性樹脂中聲音的橫向速度與所述彈性體中聲音的橫向速度的比率大于或等于40.0。

2.如權利要求1所述的設備,其中所述晶格是兩維的并且形成晶格的所述多個周期性重復域是圓柱形的。

3.如權利要求1所述的設備,其中所述晶格是方形的或者六邊形的。

4.如權利要求1所述的設備,其中所述多個周期性重復域的填充率(ff)與所述多個周期性重復域中每一個的半徑成反比。

5.如權利要求4所述的設備,其中所述分散相的填充率(ff)配置為在熱塑性樹脂的所述多個周期性重復域的相鄰域之間產生彈性體的內切體積。

6.如權利要求1所述的設備,其中所述晶格是三維的并且形成晶格的所述多個周期性重復域是球形的,其中所述周期性重復域每個都具有半徑。

7.如權利要求6所述的設備,其中所述晶格是立方的、密排六方形的或斜方晶的。

8.如權利要求7所述的設備,其中所述分散相的填充率(ff)與所述多個周期性重復域中每一個的半徑成反比。

9.如權利要求8所述的設備,其中所述分散相的填充率(ff)配置為在所述多個周期性重復域的相鄰域之間產生彈性體的內切體積。

10.如權利要求1所述的設備,其中所述彈性體是天然橡膠、聚異戊二烯、丁苯橡膠、氯丁二烯橡膠、聚丁二烯、丁腈橡膠、丁基橡膠、乙丙橡膠、三元乙丙橡膠、氯磺化聚乙烯、聚硫橡膠、含硅彈性體、聚亞安酯、及其閉孔或開孔泡沫中的至少一種。

11.如權利要求1所述的設備,其中所述熱塑性樹脂是聚醚酰亞胺(PEI)、聚苯醚(PPE)、聚氧苯(POP)、聚砜、聚苯乙烯(PS)、聚芳醚酮(PEEK)、聚碳酸酯(PC)、乙縮醛、聚酰亞胺、聚芳硫醚或者其共聚物中的至少一種。

12.如權利要求1所述的設備,其中所述彈性體是聚二甲基硅氧烷(PDMS)并且所述熱塑性樹脂是聚苯乙烯(PS)。

13.如權利要求12所述的設備,其中所述分散相的填充率(ff)等于或大于0.72。

14.如權利要求1所述的設備,其中:所述彈性體基體和所述熱塑性樹脂的所述多個周期性重復域的分散相形成多個晶胞。

15.一種衰減聲子設備中彈性和聲學帶隙中的一個的頻率的方法,包括:提供包括彈性體基體和熱塑性樹脂的多個周期性重復域的分散相的聲子設備,所述多個周期性重復域形成兩維和/或三維晶格,其中所述熱塑性樹脂中聲音的縱向速度與所述彈性體中聲音的縱向速度的比率大于或等于2.0,以及其中所述熱塑性樹脂中聲音的橫向速度與所述彈性體中聲音的橫向速度的比率大于或等于40.0;以及控制所述多個周期性重復域的所述分散相的填充率(ff)和域半徑,其中所述填充率(ff)配置為在所述多個周期性重復域的相鄰域之間形成彈性體的內切體積,以衰減彈性和/或聲學帶隙的頻率。

16.如權利要求15所述的方法,還包括修改所述彈性體的彈性模數的步驟。

17.如權利要求16所述的方法,其中所述分散相的填充率(ff)等于或大于0.72。

18.如權利要求16所述的方法,還包括把設備放置成與車輛主體振動接觸。

19.如權利要求15所述的方法,還包括:把域形成為熱塑性樹脂的球形或多面體域。20.如權利要求15所述的方法,還包括:由所述彈性體基體和所述熱塑性樹脂的所述多個周期性重復域的分散相形成多個晶胞。

說明書附圖

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7