CN110021287A

CN110021287A - 一种声学超材料

Info

Publication number: CN110021287A
Application number: CN201810016561.9A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Shenzhen Guangqi Sophisticated Technique LLC
Current assignee: Shenzhen Guangqi Sophisticated Technique LLC
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2019-07-16
Also published as: WO2019134600A1

Abstract

本发明公开了一种声学超材料，该声学超材料包括：N_g个周期排列的超材料单元，其中，N_g为大于或等于3的整数；其中，每个超材料单元包括：多个周期排列的子周期单元，以及每个子周期单元包括：两个压电元件，且子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接。本发明通过N_g个周期排列的超材料单元，以及每个超材料单元包括多个子周期单元，且每两个子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接，从而通过利用配对互联式的负电容电路网络的压电超材料能以更少的负电容的阻尼电路分支，在特定的较宽频段内，尤其是低频段，产生衰减性能更好的局域共振禁带间隙。

Description

一种声学超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体来说，涉及一种声学超材料。

背景技术

在现有基于负电容技术的压电超材料结构中，超材料单元里，因为一条负电容的分支一般只单独连接于单个压电片，或一条负电容的分支连接于同位配置的两片压电片之间，所以结构的超材料单元和子周期单元是重合的，然而，这种技术方案虽可以实现宽频带的禁带性能，但随着压电超材料中的子周期单元数量的递增，应用于超材料单元中的负电容的分支数也会随之递增，从而在压电超材料的电学层面，由负电容模拟电路引起的电学不稳定风险也会递增。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种声学超材料，该方案相比于现有技术的压电超材料，其通过利用配对互联式的负电容电路网络的压电超材料能以更少的负电容的阻尼电路分支，在特定的较宽频段内，尤其是低频段，产生衰减性能更好的局域共振禁带间隙。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种声学超材料，该声学超材料包括：N_g个周期排列的超材料单元，其中，N_g为大于或等于3的整数；其中，每个超材料单元包括：多个周期排列的子周期单元，以及每个子周期单元包括：两个压电元件，且子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接。

根据本发明的一个实施例，子周期单元包括：两个并行排列的基梁单元，以及每个基梁单元上均粘结有一压电元件。

根据本发明的一个实施例，压电元件和负电容设置在基梁单元的同一侧。

根据本发明的一个实施例，压电元件的长度小于基梁单元的长度。

根据本发明的一个实施例，两个相邻的压电元件之间的间隔相等。

根据本发明的一个实施例，在两个压电元件的极化方向相同的情况下，两个压电元件组成PP型子周期单元；以及在两个压电元件的极化方向相反的情况下，两个压电元件组成PN型子周期单元。

根据本发明的一个实施例，子周期单元的数量为2的倍数，两个相邻的子周期单元包括：第一类型周期单元、第二类型周期单元、第三类型周期单元；其中，第一类型周期单元包括：两个PP型子周期单元，第二类型周期单元包括：两个PN型子周期单元，第三类型周期单元包括：一PP型子周期单元和一PN型子周期单元。

根据本发明的一个实施例，压电元件的数量为负电容的数量的两倍。

根据本发明的一个实施例，基梁单元的材料为弹性材料。

根据本发明的一个实施例，两个相邻的负电容之间的间隔相等。

本发明的有益技术效果在于：

本发明通过N_g个周期排列的超材料单元，以及每个超材料单元包括多个子周期单元，且每两个子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接，从而通过利用配对互联式的负电容电路网络的压电超材料能以更少的负电容的阻尼电路分支，在特定的较宽频段内，尤其是低频段，产生衰减性能更好的局域共振禁带间隙。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的声学超材料的示意图；

图2是根据本发明实施例的负电容的实现电路的示意图；

图3是根据本发明第一实施例的超材料在不同电路下的衰减系数的示意图；

图4是根据本发明第一实施例的超材料在不同电路下的振动传输率的示意图；

图5是根据本发明第二实施例的超材料在不同电路下的衰减系数的示意图；

图6是根据本发明第二实施例的超材料在不同电路下的振动传输率的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种声学超材料，该声学超材料包括多个周期排列的超材料单元。

如图1所示，根据本发明实施例的超材料包括：N_g个周期排列的超材料单元，其中，N_g为大于或等于3的整数；其中，每个超材料单元包括：多个周期排列的子周期单元，以及每个子周期单元包括两个压电元件，且子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接。

借助于本发明的技术方案，通过N_g个周期排列的超材料单元，以及每个超材料单元包括多个子周期单元，且每两个子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接，从而通过利用配对互联式的负电容电路网络的压电超材料能以更少的负电容的阻尼电路分支，在特定的较宽频段内，尤其是低频段，产生衰减性能更好的局域共振禁带间隙。

为了更好的描述本发明的技术方案，下面通过具体的实施例进行详细的说明。

本发明提出了一种声学超材料，在现有超材料技术中，负电容一般只单独连接于单个压电片，或一条负电容的分支连接于同位配置的两片压电片之间，从而超材料单元重合于子周期单元，不同于现有技术，在本发明中，该声学超材料包括：多个周期排列的超材料单元，每个超材料单元包括：至少2个子周期单元，且每个子周期单元包括：两个压电元件，且每两个压电元件分别与负电容的两个分支连接，即负电容的一个分支与一压电元件连接。

如图1所示，该声学超材料包括：超材料单元L、...、超材料单元i、...、超材料单元N_g，并且每个超材料单元包括：多个周期排列的子周期单元6，多个子周期单元6通过配对互联式电路网络5进行配对。

此外，为了更好的描述上述配对互联式电路网络5的具体结构，下面以超材料单元i为例进行说明，继续参见图1的虚线部分，该超材料单元i包括两个并行排列的子周期单元6，并且每个子周期单元6包括：两个并行排列的基梁单元7，以及每个基梁单元7上均粘结有一压电元件，也就是说，一个超材料单元包括两个压电元件，并且该两个压电元件分别与一负电容Z的分支连接，即上述两个子周期单元6分别包括：第一压电元件1和第二压电元件2、第三压电元件3和第四压电元件4，同时，该子周期单元6中的压电元件的极化方向可相同或不同，例如，根据本发明的一个实施例，关于上述两个子周期单元6中的一个子周期单元6中的第一压电元件1和第二压电元件2的极化方向相同，同时，该子周期单元中的两个压电元件除极化方向外，其余参数均相同。此外，基梁单元7为弹性材料，例如，根据本发明的一个实施例，该基梁单位可为树脂材料或金属材料，本发明对此不作限定。另外，虽然图1示出了，该超材料单元i具有两个子周期单元6，但本领域的技术人员可根据实际需求对超材料单元i中的子周期单元6的数量进行设置，例如，根据本发明的一个实施例，该超材料单元i包括：4个周期排列的子周期单元6，本发明对此也不作限定。

另外，每个压电元件均包括：上下面两个电极，从而每个压电元件具有对应的极化方向，例如，根据本发明的一个实施例，将第三压电元件3和基梁单元7的接触面作为第三压电元件3的底面，对应的，将第三压电元件3的底面相对的一侧作为顶面，从而在第三压电元件3的顶面为正电极和底面为负电极的情况下，该第三压电元件3的极化方向为正极化方向(或P型压电元件)，此外，在第三压电元件3的顶面为负电极和底面为正电极的情况下，该第三压电元件3的极化方向为负极化方向(或N型压电元件)。同时，每个子周期单元6中的压电元件的数量为负电容Z的数量的两倍，从而根据负电容Z的配对互联方式和压电元件的极化方向的不同，从而这样不仅使负电容Z分支数在压电超材料的应用中减半，而且使分支中所需的负电容值也减半了。此外，在现有技术中，由于负电容Z阻尼振动控制电路使用过多，容易出现不稳定的工作状态，所以减少负电容Z分支，也意味着提高了压电超材料在电学层面的稳定性。此外，当然可以理解，本领域的技术人员可根据实际需求选择不同的配对互联方式，本发明对此不做限定。

此外，继续参见图1，在x₁方向上，压电元件的长度大于负电容Z的长度，从而每个周期单元上的压电元件之间具有间隙，同时，在x₂方向上，压电元件的高度大于负电容Z的高度。此外，当然可以理解，该压电元件之间的间隙和负电容Z之间的间隙可根据实际需求进行设置，例如，根据本发明的一个实施例，在该超材料单元i包括12个子周期单元6的情况下，两个相邻的压电元件之间的间隔相等，以及两个相邻的负电容Z之间的间隔相等，本发明对此不做限定。

另外，该超材料单元包括正偶数个最小周期单元(每个最小周期单元包含一个压电元件和一基梁单元7)，从而偶数个最小周期单元可通过采用本发明的技术方案中的配对方式进行压电单元的配对，进而在每两个最小周期单元上的压电元件的极化方向相同时，与负电容Z连接的两个压电元件组成PP型子周期单元，以及在每两个周期单元上的压电元件的极化方向相反时，与负电容Z连接的两个压电元件组成PN型子周期单元。

另外，根据最小周期单元中压电片极化方向和负电容Z连接方式的不同，可以将其分为三类型配对互联式负电容压电梁结构的超材料：PPPP型(或第一类型周期单元)、PNPN型(或第三类型周期单元)和PPPN型(或第二类型周期单元)。如之前描述，当相邻的两个最小周期单元中压电片的极化方向相同时，由负电容互联的这两个最小周期单元共同组成了PP型局域共振子周期单元；当相邻的两个最小周期单元中压电片的极化方向相反时，由负电容互联的这两个最小周期单元共同组成了PN型局域共振子周期单元，从而PPPP型周期单元由两个PP型子周期单元组成，PNPN型周期单元由两个PN型子周期单元组成，PPPN型周期单元由一个PP型子周期单元和一个PN型子周期单元组成。

此外，在周期单元的禁带周围，比较宽的频段内，本发明提出的压电梁结构的声学超材料能得到比现有技术衰减性能更好的局域共振禁带。

继续参见图2，该负电容的实现电路为：负电容Z的输入端分别和电容C的一端、运算放大器的正相输入端连接，运算放大器的输出端分别和电容C的另一端、电阻R2的一端连接，运算放大器的反向输入端分别和电阻R2的另一端、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别和地线和负电容的输出端连接，其中，I、V、Cn分别表示负电容Z的输入电流，电压和电容。同时，负电容的值C_n可以取为：

其中，R₁表示电阻R1的电阻值，R₂表示电阻R2的电阻值，C表示电容C的电容值。

为了分析该声学超材料的禁带特性，下面选取一个超材料单元并对其进行有限元建模。假设这一超材料单元可以分为n个有限元，且梁结构符合欧拉梁假设，则在一个超材料单元中的机电耦合关系可以分为：

其中[M]、[C]、[K]分别代表质量、阻尼和刚度矩阵。dⁱ和Pⁱ都是2(n+1)乘1的矩阵，分别代表在第i(1<i<N_g)个超材料单元里所有的有限元节点的位移(和速度)、力(和力矩)矢量。V_P ⁱ和Qⁱ属于4乘1的矩阵，分别代表超材料单元里4片压电片的电压和电荷量。B₁属于2(n+1)乘4的矩阵，代表机电能量转换，可以表示为：

B₁＝[B₁₁ B₁₂ B₁₃ B₁₄]

此外，与压电机电能量转换相关的矩阵B₂,，B₃可以表示为：

假设矩阵A＝-ω²M+jωC+K代表动态刚度矩阵，其中ω为角频率，j为虚数符号，M、C和K分别代表质量，阻尼和刚度矩阵，则超材料单元里的电学和动力学关系，可以表示为：

其中，为超材料单元中4个压电片输出的电流量矩阵，并且

在此基础上，可以总结在一个超材料单元里的机电耦合关系：

如图1所示，在超材料单元中，其中I_M1为流经连接第一压电片1和第二压电片2通路的电流，为从第一压电片1流出的电流量，为从第二压电片2流出的电流量，I_M2为流经连接第三压电片3和第四压电片4通路的电流量，为从第三压电片3流出的电流量，为从第四压电片4流出的电流量，代表第一压电片1的电压，代表第二压电片2的电压，代表第三压电片3的电压，代表第四压电片4的电压，Z为负电容Z的阻抗。

所以周期单元里4片压电元件的电压V_p ⁱ可以表示为：此外，B₆为：

进而可以得到超材料单元里的动态关系可以表示为：

{Pⁱ}＝[A_adjacent]{dⁱ}＝[A+B₁B₆]{dⁱ}

其中，Aadjacent代表超材料单元的动态刚度矩阵。

根据以上的动态关系，再通过传递矩阵法，就可以计算得到弹性波的衰减系数和相位系数，从而得到该结构的禁带，以下将给出实施例加以分析说明。

此外，对应三类(PPPP，PNPN和PPPN型)声学超材料，以下分别对应给出了三个实施例。如下面的表1和表2所示，给出了实施例所需的实际梁和压电片的参数。

表1

表2

根据参数和结构的传递矩阵，可以得到实施例周期单元的禁带分布。假设在负电容独立应用于单片压电片上的超材料结构(负电容独立连接单片压电元件时，负电容值C_neg ^ind＝C_n)中，负电容值C_n与压电元件的固有电容值C₀的比值为Er＝C_neg ^ind/C₀＝C_n/C₀。为了公平比较，在负电容配对互联式压电梁结构超材料(负电容连接相邻两压电元件时，负电容值C_neg ^int＝C_n/2)中，负电容值C_n和两片串联的压电片的固有电容C_neg ^int的比值也等于Er＝C_neg ^int/C₀＝2C_n/C₀，所以C_neg ^int＝C_neg ^ind/2。

此外，如图3和图4所示，选取电容比Er＝-1.1，电阻R_neg＝641Ω，带有PPPP型周期单元的声学超材料在3.5kHz到10kHz之间产生的局域共振型禁带间隙比现有技术的带有独立式负电容电路网络的压电超材料产生的禁带间隙效果更好。同时，带有PPNP型的声学超材料在0.35kHz到0.5kHz之间产生的低频局域共振型禁带间隙比现有技术的带有独立式负电容电路网络的压电超材料产生的禁带间隙效果更好。

另外，如图5和图6所示，随着电阻值R_neg的增大，带有PPPP型的声学超材料产生的优于独立式负电容型压电超材料的禁带间隙越来越宽，但衰减效果相对减弱了。除此之外可以看到，带有PNPN型的声学超材料在0.5kHz到1.8kHz产生的低频局域共振型禁带间隙比独立式负电容型压电超材料产生的禁带间隙效果更好。

此外，所有带有负电容网络的声学超材料随着电阻值R_neg越来越趋近于0，电容比越来越趋近于-1，产生的局域共振禁带带隙性能越来越优良。总体来说，相比于现有技术的带有独立式负电容电路网络的压电超材料，PPPP型的声学超材料在Bragg禁带附近(7.1kHz-8kHz)，能产生更好的禁带杂交效果(局域共振禁带和Bragg禁带之间)。PNPN型的声学超材料在中低频段内(0Hz-4kHz)能产生更好的低频局域共振禁带间隙。除此之外，PPNP型的声学超材料能产生仅次于独立式负电容电路网络的压电超材料的全局最优效果。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过N_g个周期排列的超材料单元，以及每个超材料单元包括多个子周期单元，且每两个子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接，从而通过利用配对互联式的负电容电路网络的压电超材料能以更少的负电容的阻尼电路分支，在特定的较宽频段内，尤其是低频段，产生衰减性能更好的局域共振禁带间隙。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种声学超材料，其特征在于，所述声学超材料包括：N_g个周期排列的超材料单元，其中，N_g为大于或等于3的整数；

其中，每个超材料单元包括：多个周期排列的子周期单元，以及每个子周期单元包括：两个压电元件，且所述子周期单元上的两个压电元件分别与负电容的两个分支连接。

2.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于，所述子周期单元包括：

两个并行排列的基梁单元，以及每个基梁单元上均粘结有一所述压电元件。

3.根据权利要求2所述的声学超材料，其特征在于，所述压电元件和所述负电容设置在所述基梁单元的同一侧。

4.根据权利要求2所述的声学超材料，其特征在于，所述压电元件的长度小于所述基梁单元的长度。

5.根据权利要求2所述的声学超材料，其特征在于，两个相邻的所述压电元件之间的间隔相等。

6.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于，在两个所述压电元件的极化方向相同的情况下，两个所述压电元件组成PP型子周期单元；以及在两个所述压电元件的极化方向相反的情况下，两个所述压电元件组成PN型子周期单元。

7.根据权利要求6所述的声学超材料，其特征在于，所述子周期单元的数量为2的倍数，两个相邻的所述子周期单元包括：第一类型周期单元、第二类型周期单元、第三类型周期单元；

其中，所述第一类型周期单元包括：两个所述PP型子周期单元，所述第二类型周期单元包括：两个PN型子周期单元，所述第三类型周期单元包括：一所述PP型子周期单元和一所述PN型子周期单元。

8.根据权利要求1所述的声学超材料，其特征在于，所述压电元件的数量为所述负电容的数量的两倍。

9.根据权利要求2所述的声学超材料，其特征在于，所述基梁单元的材料为弹性材料。

10.根据权利要求7所述的声学超材料，其特征在于，两个相邻的所述负电容之间的间隔相等。