For the past decades, phononic crystals have received much attention as a potential technique to isolate elastic waves in certain frequency ranges, called band gaps. Various works have been performed to broaden or lower the band gaps, but a challenge still remains on simultaneously broadening and lowering the band gap. In this study, we propose a unit cell of the phononic crystals that isolate the flexural waves in a broad and low frequency range by smoothly changing the thickness and width profiles of the unit cell. The broad and low band gap of the proposed unit cell is numerically and experimentally investigated, and the results show large wave attenuation (-10 dB to -35 dB) in the frequency range of about 2.2 Hz to 227.0 Hz. In addition, the band gap could be achieved by using the unit cells with the lattice constant of only 1/33 wavelength. We enhance the structural robustness of the proposed unit cell by replacing the surface region near the thin and narrow part with high-strength material while maintaining its broad low-frequency band gap.
지난 수십여 년간, 음향자 결정구조는 특정 주파수 범위 (밴드 갭)에서 탄성파를 절연하는 기술로 많은 관심을 받아왔다. 밴드 갭을 넓히거나 낮추기 위한 다양한 연구들이 수행되었지만, 밴드 갭을 동시에 넓히고 낮추는 것은 여전히 어려운 문제이다. 본 연구에서는, 음향자 결정구조의 단위 구조의 두께 와 폭을 멱 법칙에 따라 변화시킴으로써, 넓으면서도 낮은 주파수 범위에서의 굽힘파를 절연할 수 있는 음향자 결정구조의 단위 구조를 제안한다. 제안된 단위 구조에 대한 밴드 갭이 수치 및 실험적으로 조사되었으며, 전파되는 굽힘파 진폭이 약 2.2 Hz부터 227.0 Hz의 넓은 주파수 범위에서 크게 감소했다 (-10 dB ~ -35 dB). 이 밴드 갭은 파장 대비 33분의 1 크기의 단위 구조를 통해 달성되었다. 또한, 단위 구조에서 얇고 가는 부분 근처 표면을 고강도 물질로 대체함으로써, 넓고 낮은 밴드 갭 성능은 유지시키면서 구조적 강건성을 향상시켰다.
