CN104389935A - 一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置 - Google Patents

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Abstract

一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置。本发明考虑声子晶体软弱连接界面（或者界面层）对带隙的影响，利用磁流变弹性体有场条件下物理力学参数的可控性，建立适当的机构，得到可控的胞元材料物理性质及其界面层几何参数，进而实现在声子晶体机构中得到适于多工况待控制结构物系统随机振动控制的声子晶体可变带隙范围，提高了结构振动控制的减振效率。

Description

一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置
技术领域
本发明涉及一种胞元周期阵列智能材料的减振装置，属于振动控制领域。
技术背景
多工况条件下结构物的减振减振技术是精密仪器、航空航天、多跨桥梁和特种结构等工业建筑领域中重要的研究方向。周期性结构减振是目前新型的减振方法，弹性波在周期性结构中的传播存在通带、禁带的色散特性，即周期性结构中不存在特定频段的弹性波本征模式，此种周期性结构也即声子晶体。根据周期性结构的这种特性，很多学者通过改变其组成材料(如，密度和弹性模量等)、几何参数(如，胞元常数、散射体截面形式和填充率等)和胞元拓扑结构(如，晶格形式等)来调制声子晶体的带隙表征，进而得到具有完全带隙或方向带隙的减振方法。声子晶体主要有两种机制，局域共振型声子晶体带隙是基体与散射体共振耗散而产生的，故其带隙主要取决于基体与散射体的固有频率；而Bragg型声子晶体晶格尺寸与声子带隙频率中心波长相当，故其主要应用于较大尺寸周期条件下中高频率(大于1000Hz)振动或噪声控制。
磁流变弹性体是一种流变智能复合材料，它是将微米级的软磁颗粒均匀散布在粘塑性态的高分子聚合物基体中，并置于一定强度的磁场下固化而形成的一种粘弹性智能材料。磁流变弹性体的宏观磁-力特性表现为横向各向同性黏弹性响应，在外加可变磁场的作用下其流变性能以及机械性能可实现快速且稳定的变化，其表观粘度能够在毫秒级的时间内改变几个数量级，时迟非常小，把磁流变弹性体置于适当设置的机构中，能够实现性能可控的特性。
目前，Bragg散射机理和局域共振散射机理等声子晶体带隙机理应用在振动控制方面的专利很多，这些应用一般都有固定的声子晶体胞元常数、材料密度或模量等。舒海生等结合这两种声子晶体带隙机理研究了具有多维减振功能的复合型声子晶体杆(CN102878235A)，为多维振动问题的解决提供了新的研究方法，但其带隙频率范围单一，不利于复杂随机激励作用下多工况下的弹性波减振。诸如此例的还有应用于支撑台的一种具有多维减振功能的声子晶体角杆(CN102635657A)也存在此种类似的问题。另外，阿里·贝尔克等利用空气基体和橡胶包含物研究了一种粘弹性声子晶体(CN101952882A)，此种复合物声子晶体通带频率高度衰减消弱明显，但是不变的粘弹性系数和晶格尺寸只能得到固定的带隙特性。声子晶体在减振降噪、声波整流方面应用广泛，但是其材料性质、晶格尺寸固定，有必要结合磁流变智能材料对声子晶体进行应用扩展。本发明利用Bragg散射机理和局域共振散射机理等声子晶体带隙机理，通过磁流变弹性体性能瞬间可控的特性改变声子晶体界面特性、基体材料特性及胞元常数，提出了一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置。
发明内容
技术问题：针对已有技术方案存在的问题，本发明公开的一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置统一了声子晶体带隙特性和智能材料有场条件下力学参数的可控性的优点。该装置可使声子晶体的带隙特性瞬间可调，扩展了智能材料类声子晶体的带隙容量，从而实现一次性布设多工况减振，经济优势明显。
技术方案：本发明公开的一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置，包括单体胞元、单体胞元排布阵列和控制电路总成，其中单体胞元包括刚性导磁环(棒)、胞元励磁线圈、铁磁颗粒定向排布的磁流变弹性体和上下承托板，刚性导磁环为空心圆柱，刚性导磁棒为实心圆柱，应根据待控制结构物系统所需带隙所对应的中心频率的大小进行选择安装，刚性导磁环(棒)外围无缝紧绕胞元励磁线圈，其中胞元励磁线圈的导线缠绕方向一致且导线横截面形状为至少有一组对边平行的四边形，刚性导磁环(棒)和胞元励磁线圈共同组成散射体，基体为铁磁颗粒定向排布的磁流变弹性体，磁流变弹性体中的铁磁颗粒排布方向平行于胞元励磁线圈在磁流变弹性体基体内所产生的磁场方向，上承托板的下表面和下承托板的上表面为隔磁板件，当为刚性导磁环时隔磁板件向下上翻起；单体胞元排布阵列是以单体胞元的圆周含等数量、等间距单体胞元为基本组成单元而周期排列的排布阵列，其中包括有四相等方阵列和三相交叉阵列等排布形式等形式；控制电路总成包括电流换向接触器、电流强度控制器和PC处理器，其中电流换向接触器控制胞元励磁线圈中的电流方向，电流强度控制器控制胞元励磁线圈中的电流强度，PC处理器根据待控制结构物系统的振动特性通过电流换向接触器、电流强度控制器，完成对输入胞元励磁线圈中的电流方向和强度进行控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明考虑声子晶体软弱连接界面(或者界面层)对带隙的影响，利用磁流变弹性体有场条件下物理力学参数的可控性，建立适当的机构，得到可控的胞元材料物理性质及其界面层几何参数，进而实现在声子晶体机构中得到适于多工况待控制结构物系统随机振动控制的声子晶体可变带隙范围，增强了结构振动控制的减振效率。比较现有减振方法，其具有带隙可调，一次性成型，对多周期多工况结构件有更好的振动控制效果，且适应频段范围较大等特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明单体胞元的磁场回路示意图
图3为本发明单体胞元群组示意图
图4为本发明单体胞元排布阵列举例
图中：
1——刚性导磁环(棒)      2——胞元励磁线圈
3——磁流变弹性体        4——承托板
5——隔磁板件            6——导磁板件
7——单体胞元排布阵列
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明是一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置，包括刚性导磁环(棒)(1)、胞元励磁线圈(2)、磁流变弹性体(3)、承托板(4)、隔磁板件(5)、导磁板件(6)、单体胞元排布阵列(7)，刚性导磁环(棒)(1)、胞元励磁线圈(2)、磁流变弹性体(3)、隔磁板件(5)、导磁板件(6)和承托板(4)环绕同一个对称中心共同组成单体胞元；刚性导磁环(棒)(1)和胞元励磁线圈(2)共同组成散射体，胞元励磁线圈(2)无缝紧绕刚性导磁环(棒)(1)的外表面，其中胞元励磁线圈(2)的导线缠绕方向一致且导线横截面形状为至少有一组对边平行的四边形；在强磁场条件下制备磁流变弹性体(3)，其中铁磁颗粒排布方向平行于胞元励磁线圈(2)在磁流变弹性体(3)基体内所产生的磁场方向，刚性导磁环(棒)(1)和胞元励磁线圈(2)共同组成的散射体外围为磁流变弹性体(4)；刚性导磁环(棒)(1)、导磁板件(6)和胞元励磁线圈(2)磁场范围内的磁流变弹性体(3)共同形成单体胞元的磁场回路，如图2所示；每个单体胞元圆周等间距、等数量布置单体胞元，形成以单体胞元群组为基本组成单元且单体胞元群组周期排列的单体胞元排布阵列，单体胞元群组如图3所示，单体胞元排布阵列举例有四相等方阵列和三相交叉阵列等排布形式，如图4所示。对于共有n个单体胞元的声子晶体，四相等方阵列有x向和y向两个相互垂直的参考方向，两个参考方向上每间隔α个单体胞元对下一个单体胞元通入工作电流，其中间隔α满足条件三相交叉阵列有x向、y向和z向互为成60°角三个参考方向，三个参考方向上每间隔β个单体胞元对下一个单体胞元通入工作电流，相应地，也可在三个参考方向上每间隔一个单体胞元对下β个单体胞元通入工作电流，其中β满足条件
工作原理：对于多工况结构物，不同的工况下振动荷载的频谱组成有一定差别，有时待控制结构物系统的振动特性也具有不同频段范围，例如固有频率特性。结构构造形式和组成材料固定的声子晶体只能提供一定频域范围内无振的工作环境。本发明的一种周期阵列智能材料的减振装置能够为待控制结构物系统提供多种频域范围内无振的工作环境。
在PC处理器中建立待控制结构物系统在各个工况下的振动特性数据库，在GKj工况下(j≤k，k为总工况个数)，根据待控制结构物系统GKj工况下的振动特性数据，PC处理器通过电流换向接触器、电流强度控制器，输出工作电流Ij，工作电流Ij通过胞元励磁线圈形成磁场Mj，单体胞元中磁流变弹性体在磁场Mj的作用下产生磁流变效应，刚性导磁环(棒)径向四周Rm范围内的磁流变弹性体基体表现出粘弹性材料的力学性质，不同的工作电流Ij对应不同的Rm范围，从而实现了单体胞元中磁流变弹性体基体材料模量和胞元常数的实时可调。根据待控制结构物系统工况的振动特性和声子晶体带隙特性，选择相应的单体胞元排布阵列组成减振层，并布置于待控制结构物系统与振动源之间，能够为多工况的待控制结构物系统提供多个带隙频率范围内无振的工作环境。
以下对本发明的三个工作模式进行进一步的说明：
情形1：当待控制结构物系统的固有频率较小时，PC处理器通过电流换向接触器、电流强度控制器，向每个单体胞元输出同方向且强度较小的工作电流，刚性导磁环(棒)径向四周的磁流变弹性体发生磁流变效应形成环状薄层粘弹性弱连接界面，散射体与外围基体之间为界面层，在弹性波激励作用下形成三相声子晶体局域共振型单体胞元；
情形2：当待控制结构物系统的固有频率较大时，PC处理器通过电流换向接触器、电流强度控制器，输出同方向且强度较大的工作电流，刚性导磁环(棒)径向四周的磁流变弹性体发生磁流变效应形成具有较大厚度的环状粘弹性基体，其与刚性导磁环(棒)散射体共同组成Bragg型声子晶体；
情形3：由于Bragg型声子晶体晶格尺寸与声子带隙频率对应的波长相当，当大厚度环状粘弹性基体与刚性导磁环(棒)散射体共同组成Bragg型声子晶体周期尺寸不足时，PC处理器通过电流换向接触器、电流强度控制器，在相邻单体胞元中胞元励磁线圈中输入反方向的较大的工作电流，刚性导磁环(棒)径向四周的磁流变弹性体发生磁流变效应形成具有较大厚度的环状粘弹性基体，其与刚性导磁环(棒)散射体共同组成Bragg型声子晶体，通入反向工作电流的相邻单体胞元之间产生吸引力，磁流变弹性体压缩变形，实现了声子晶体密度的调整，进而得到声子晶体不同带隙特性。

Claims (4)

1.一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置，包括刚性导磁环(棒)(1)、胞元励磁线圈(2)、磁流变弹性体(3)、承托板(4)、隔磁板件(5)、导磁板件(6)、单体胞元排布阵列(7)，其特征在于；刚性导磁环(棒)(1)、胞元励磁线圈(2)、磁流变弹性体(3)、隔磁板件(5)、导磁板件(6)和承托板(4)环绕同一个对称中心共同组成单体胞元；刚性导磁环(棒)(1)和胞元励磁线圈(2)共同组成散射体，胞元励磁线圈(2)无缝紧绕刚性导磁环(棒)(1)的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置，其特征在于；所述的胞元励磁线圈(2)的导线缠绕方向一致且导线横截面形状为至少有一组对边平行的四边形；磁流变弹性体中的铁磁颗粒排布方向平行于胞元励磁线圈(2)在磁流变弹性体(3)基体内所产生的磁场方向。
3.根据权利要求1所述的一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置，其特征在于；所述的刚性导磁环(棒)(1)和胞元励磁线圈(2)共同组成的散射体外围为磁流变弹性体(4)。
4.根据权利要求1所述的一种胞元特性可调节周期阵列的声子晶体减振装置，其特征在于；于共有n个单体胞元的声子晶体，四相等方阵列有x向和y向两个相互垂直的参考方向，两个参考方向上每间隔α个单体胞元对下一个单体胞元通入工作电流，其中间隔α满足条件三相交叉阵列有x向、y向和z向互为成60°角三个参考方向，三个参考方向上每间隔β个单体胞元对下一个单体胞元通入工作电流，相应地，也可在三个参考方向上每间隔一个单体胞元对下β个单体胞元通入工作电流，其中β满足条件
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