本發(fā)明涉及減振，具體涉及一種具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件。

背景技術(shù)：

1、近年來，以新能源汽車、高速列車、大飛機(jī)、航母、潛艇等為代表的各類裝備的自主研發(fā)被提升到國家戰(zhàn)略發(fā)展的高度，這些裝備正不斷向高速化、遠(yuǎn)程化和極端服役環(huán)境等方向邁進(jìn)，由此帶來的振動問題對設(shè)備的正常運作和人民的生活品質(zhì)造成了巨大的影響。因此，對振動控制技術(shù)的需求十分迫切。

2、振動的本質(zhì)源自結(jié)構(gòu)中彈性波的傳播以及與周圍介質(zhì)的相互作用，其中低頻振動能量大，在均勻介質(zhì)中很難被衰減，如何有效控制低頻振動是一個長期困擾人們的技術(shù)難題。傳統(tǒng)的減振措施，如動力吸振器、隔振器等雖然可以在一定程度上實現(xiàn)低頻振動衰減，但其工作原理決定了此類方法的有效工作頻率往往是單頻的。而且當(dāng)系統(tǒng)或減振部件的實際參數(shù)偏離設(shè)計值時，這些減振方法不僅起不到減振效果，還可能加劇振動。同時，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的粘彈性阻尼材料，在低頻段對振動的衰減效果并不理想。盡管通過在振動劇烈的部位增設(shè)加強(qiáng)筋或局部加厚結(jié)構(gòu)可以有效地降低這些部位的振動幅度，但是這種方法往往需要付出較大的重量和尺寸(厚度)代價。而實際裝備對減振措施的附加重量、安裝空間等均有嚴(yán)苛的限制。因此，在重量、空間等實際工程約束條件下，傳統(tǒng)的減振措施難以實現(xiàn)低頻高效的減振性能，這嚴(yán)重制約裝備振動品質(zhì)的提升，甚至影響裝備的更新?lián)Q代。

3、近年來，聲學(xué)超構(gòu)材料的提出為實現(xiàn)輕質(zhì)、小尺寸條件下的低頻高效減振提供了新路徑。通過對聲學(xué)超構(gòu)材料中的微結(jié)構(gòu)單元及其排布方式進(jìn)行調(diào)控設(shè)計，可以實現(xiàn)對彈性波的人為高效操控，產(chǎn)生低頻彈性波帶隙、負(fù)等效質(zhì)量密度、負(fù)彈性模量等一系列超常效應(yīng)。其中，局域共振型聲學(xué)超構(gòu)材料可以在深亞波長(晶格尺寸遠(yuǎn)小于基體彈性波波長)條件下產(chǎn)生低頻帶隙，即實現(xiàn)了“小尺寸控制大波長”，為實現(xiàn)小尺寸條件下的低頻減振降噪提供了新的啟發(fā)。已有的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)材料研究大多通過在板上黏附或者內(nèi)嵌多材料局域共振單元的方式來降低板類結(jié)構(gòu)的振動，雖然這類方法能夠產(chǎn)生低頻帶隙，但是其加工難度以及制造成本也會隨之上升。

4、低頻彈性波的波長較長，在均勻介質(zhì)中很難被衰減，這個頻率范圍內(nèi)的激勵易引起裝備共振，從而降低裝備安全性、穩(wěn)定性及使用壽命的問題。傳統(tǒng)的減振措施一般會采用附加動力吸振器、粘彈性阻尼材料、加強(qiáng)筋或局部加厚等方法，這些減振方法存在的減振頻域較窄、低頻振動衰減效果不佳、需付出較大的重量和尺寸代價等問題。大多數(shù)局域共振聲學(xué)超構(gòu)器件通過在裝備薄壁板上黏附或者內(nèi)嵌局域共振子的方式來降低板類結(jié)構(gòu)的低頻振動，這些局域共振子多由兩種或者多種材料復(fù)合而成，存在較大加工難度以及較高制造成本的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明旨在提供一種可滿足重量、空間、制作工藝、生產(chǎn)成本等實際工程約束條件，在低頻范圍內(nèi)具有較寬帶隙特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，包括環(huán)狀基礎(chǔ)框板、振子質(zhì)量塊、第一過渡區(qū)域、第二過渡區(qū)域和連接于環(huán)狀基礎(chǔ)框板內(nèi)壁上的側(cè)邊懸臂梁及中部懸臂梁，所述中部懸臂梁位于環(huán)狀基礎(chǔ)框板的中心線上，其兩側(cè)對稱設(shè)有振子質(zhì)量塊，每個振子質(zhì)量塊通過第二過渡區(qū)域與中部懸臂梁相連，且通過第一過渡區(qū)域與側(cè)邊懸臂梁相連。

3、優(yōu)選地，所述振子質(zhì)量塊、中部懸臂梁、側(cè)邊懸臂梁、第一過渡區(qū)域和第二過渡區(qū)域的底面均在同一水平面上。

4、優(yōu)選地，所述基礎(chǔ)框板截面為環(huán)狀的正方形框板結(jié)構(gòu)，中部懸臂梁、側(cè)邊懸臂梁、第一過渡區(qū)域和第二過渡區(qū)域均為矩形板結(jié)構(gòu)，中部懸臂梁、側(cè)邊懸臂梁分別連接在環(huán)狀基礎(chǔ)框板的內(nèi)壁與第一過渡區(qū)域、第二過渡區(qū)域的外壁。

5、優(yōu)選地，所述第一過渡區(qū)域與側(cè)邊懸臂梁的夾角以及第二過渡區(qū)域、與中部懸臂梁之間的夾角均為90°，環(huán)狀基礎(chǔ)框板、中部懸臂梁、側(cè)邊懸臂梁、第一過渡區(qū)域和第二過渡區(qū)域的軸向高度相同。

6、優(yōu)選地，所述局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件沿中心線構(gòu)成軸對稱結(jié)構(gòu)。

7、優(yōu)選地，所述中部懸臂梁和側(cè)邊懸臂梁為局域共振系統(tǒng)中的等效彈簧部分，振子質(zhì)量塊為局域共振系統(tǒng)中的等效質(zhì)量部分；所述局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件的多懸臂梁式設(shè)計可以減少應(yīng)力集中，避免振子質(zhì)量塊的振幅過大。

8、優(yōu)選地，所有部件均為相同材料，可采用一體化成型工藝制造。

9、優(yōu)選地，該器件適用于1-200hz低頻范圍內(nèi)減振。

10、工作原理：所述局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件在x和y方向按照bloch-floquet周期邊界條件排布，局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件可等效為彈簧—質(zhì)量塊系統(tǒng)，當(dāng)板件中的彈性波激勵在局域共振型聲學(xué)超結(jié)構(gòu)器件中傳播時，會受到周期性排列的諧振單元作用。當(dāng)激勵頻率為0或者很低時，局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件的諧振單元與板件保持同向剛性運動；當(dāng)激勵頻率與諧振單元的固有頻率相近時，諧振單元與板件的發(fā)生異相運動，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)質(zhì)量效應(yīng)，其面外振動模態(tài)相互耦合，吸收耗散板件的一部分能量，從而打開帶隙下界；隨著激勵頻率繼續(xù)增加，直至諧振單元與板件再次同向運動，負(fù)質(zhì)量效應(yīng)結(jié)束，到達(dá)帶隙上界。

11、有益效果：本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著優(yōu)點：

12、(1)對裝備薄壁板件200hz內(nèi)低頻面外振動具有較寬的帶隙特性，在帶隙范圍內(nèi)產(chǎn)生普遍的振動衰減效果，實現(xiàn)了“小尺寸控制大波長”的特殊效果，具備廣泛的實用價值；

13、(2)同時，基于局域共振原理，本發(fā)明可通過調(diào)整質(zhì)量塊、懸臂梁的軸向高度來調(diào)節(jié)禁帶頻域，適配不同的外部激勵頻率，在不同工況下減振效果均能達(dá)到最優(yōu)化；

14、(3)選用同一材料設(shè)計出可一體化成型的小型局域共振聲學(xué)超構(gòu)器件，實現(xiàn)單一材料下的局域共振；

15、(4)比傳統(tǒng)金屬制局域共振板、黏附或內(nèi)嵌多材料局域共振子類結(jié)構(gòu)在相同尺寸上質(zhì)量更輕，具有良好的加工制造優(yōu)勢及低成本優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.一種具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，包括環(huán)狀基礎(chǔ)框板(1)、振子質(zhì)量塊(2)、第一過渡區(qū)域(5)、第二過渡區(qū)域(6)和連接于環(huán)狀基礎(chǔ)框板(1)內(nèi)壁上的側(cè)邊懸臂梁(3)及中部懸臂梁(4)，所述中部懸臂梁(4)位于環(huán)狀基礎(chǔ)框板(1)的中心線上，其兩側(cè)對稱設(shè)有振子質(zhì)量塊(2)，每個振子質(zhì)量塊(2)通過第二過渡區(qū)域(6)與中部懸臂梁(4)相連，且通過第一過渡區(qū)域(5)與側(cè)邊懸臂梁(3)相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，所述振子質(zhì)量塊(2)、側(cè)邊懸臂梁(3)、中部懸臂梁(4)、第一過渡區(qū)域(5)和第二過渡區(qū)域(6)的底面均在同一水平面上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，所述環(huán)狀基礎(chǔ)框板(1)、中部懸臂梁(4)、側(cè)邊懸臂梁(3)、第一過渡區(qū)域(5)和第二過渡區(qū)域(6)的軸向高度相同。

4.根據(jù)權(quán)利要求1的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，第一過渡區(qū)域(5)與側(cè)邊懸臂梁(3)的夾角以及第二過渡區(qū)域(6)與中部懸臂梁(4)之間的夾角均為90°。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，所有部件均為相同材料，可采用一體化成型工藝制造。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，該器件沿環(huán)狀基礎(chǔ)框板(1)的中心線構(gòu)成軸對稱結(jié)構(gòu)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，所述側(cè)邊懸臂梁(3)和中部懸臂梁(4)為局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件中的等效彈簧部分，振子質(zhì)量塊(2)為局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件中的等效質(zhì)量部分。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，該器件的多懸臂梁式設(shè)計可以減少應(yīng)力集中，避免振子質(zhì)量塊(2)的振幅過大。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，該器件適用于1-200hz低頻范圍內(nèi)減振。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，其特征在于，所述環(huán)狀基礎(chǔ)框板(1)的截面為環(huán)狀的正方形框板結(jié)構(gòu)，側(cè)邊懸臂梁(3)、中部懸臂梁(4)、第一過渡區(qū)域(5)和第二過渡區(qū)域(6)均為矩形板結(jié)構(gòu)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有低頻減振特性的局域共振型聲學(xué)超構(gòu)器件，包括環(huán)狀基礎(chǔ)框板、振子質(zhì)量塊、第一過渡區(qū)域、第二過渡區(qū)域和連接于環(huán)狀基礎(chǔ)框板內(nèi)壁上的中部懸臂梁及側(cè)邊懸臂梁，所述中部懸臂梁兩側(cè)對稱設(shè)有振子質(zhì)量塊，每個振子質(zhì)量塊通過第二過渡區(qū)域與中部懸臂梁相連，且通過第一過渡區(qū)域與側(cè)邊懸臂梁相連。基于局域共振原理，本發(fā)明可通過調(diào)整質(zhì)量塊、懸臂梁的幾何參數(shù)來調(diào)節(jié)帶隙范圍，以適配不同的外部激勵頻率，對裝備薄壁板件低頻振動具有較寬頻域的抑振功效，達(dá)到了“小尺寸控制大波長”的目的。本發(fā)明適用于在重量、空間等實際工程約束條件下，對重要裝備進(jìn)行針對低頻面外振動的有效保護(hù)，具備廣泛的實用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：盧明輝,孫嘉鵬,馬巖,鄧建交,何玉龍,潘殿龍,陳曦,陳延峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30