CN111541045A - 一种具有主动调控功能的力学超材料的波动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，包括基体板、压电片和负电容电路；所述基体板为ABS材料的板状结构，通过绳索悬挂在支架上，所述基体板一侧安装有夹具，在所述基体板的正反两面分别周期性的粘贴有矩形结构的所述压电片，每个压电片都与负电容电路连接，组成能够进行主动调控的周期结构。

Description

一种具有主动调控功能的力学超材料的波动装置

技术领域

本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及一种具有外接负电容电路调节功能的力学超材料波动能量装置。

背景技术

从20世纪90年代开始，基于对弹性波在结构/材料中的行为进行调控的需求，弹性波与振动在周期结构传播特性的研究引起了广泛的关注，力学超材料具有弹性波和振动的禁止传播频率带隙，因此可应用于机械工程、土木工程、航空航天等隔振降噪领域中。

人工周期结构力学超材料存在带隙特性，带隙频率范围内的弹性波传播被有效抑制。而当结构中存在缺陷时，弹性波的传播会被局域在缺陷处或者沿缺陷传播。通过点缺陷或线缺陷结构的设计，可以使弹性波在点缺陷处产生能量集中或使弹性波的传播被局域在线缺陷处并沿线缺陷传播，实现减振性能，对于机械结构减振设计具有重要意义。

与以往隔振装置不同的是，这里通过连接负电容电路在板式力学超材料中引入点缺陷或线缺陷，通过给部分电路通电，使声子晶体板中部分单胞位置处的等效弹性模量与其他地方不同，这样可以在声子晶体板中引入点缺陷或线缺陷，一定频率下的弯曲波会在点缺陷处产生能量集中或弯曲波会在线缺陷处产生能量集中并沿线缺陷传播，由于点缺陷造成的能量集中或通过线缺陷控制弯曲波的传播方向，当强度足够大时会引起结构破坏，所以在实际工程或者设计制造中应尽量避免类似的点缺陷或线缺陷出现。另一方面，可以将缺陷置于结构附属部分，通过吸收能量来达到保护子结构的目的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有主动调控功能的力学超材料的波动装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，包括基体板、压电片和负电容电路；基体板为ABS材料的板状结构，通过绳索悬挂在支架上，所述基体板一侧安装有夹具，在所述基体板的正反两面分别周期性的粘贴有矩形结构的所述压电片，每个压电片都与负电容电路连接，组成能够进行主动调控的周期结构。

进一步的，所述基体板两侧都连接有绳索，两根绳索与基体板两侧的距离相等，所述绳索的长度相等，以使波动装置保持水平，所述夹具通过螺栓和螺母固定在基体板的一侧，所述夹具设有孔洞，所述孔洞直径与螺母直径相同，所述夹具用于配合激振器激发弯曲波，所述绳索为鱼线。

进一步的，所述压电片为P-4型号的矩形压电片，固有弹性模量为79.336GPa并且能够通过外接电路进行调节。

进一步的，所述压电片在基体板正反两面相对应的位置呈7×7周期性粘贴排列。

进一步的，所述负电容电路和运算放大器连接，通过调节负电容电路中电阻的大小改变电路参数，以改变压电片等效参数，实现主动控制的目的。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明装置通过调节负电容电路参数来实现对压电片等效弹性模量的调节，通过对部分压电片等效弹性模量的主动调控，在周期结构中引入了点缺陷或线缺陷，实现了能量集中或实现了对弯曲波传播方向的控制，达到了减振隔振的目的。以往结构想要抑制不同频率弹性波振动时，需要改变结构的材料参数或者几何形状，实施起来操作复杂。本发明较以往波动能量装置具有操作方便易于调节的优点，只需要调节外接负电容电路中的电路元件参数即可，可以用于需要抑制特定频率弹性波与振动的情况，可实现对精密仪器的振动保护。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1a为本发明实施例一提供的超材料波动集中装置的结构示意图。

图1b为本发明实施例二提供的超材料波动线缺陷装置的结构示意图。

图2a为本发明实施例一提供的波动集中装置的实际构型空间表示图。

图2b为本发明实施例二提供的波动线缺陷装置的实际构型空间表示图。

图3为夹具与基体板连接处的夹具装配细节示意图。

图4为本发明实施例提供的负电容电路示意图。

图5a至图5i分别为图2a中本发明实施例一提供的a-i的9个测点的实验数据图。

图6a至图6i分别为图2b中本发明实施例二提供的a-i的9个测点的实验数据图。

附图标记：1-基体板，2-压电片，3-负电容电路，4-夹具，5-鱼线

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

实施例一

通过人工周期结构在几何与材料参数上的变化，可以对周期结构弹性波带的传播特性进行人为调控。本发明实施例一提出了一种主动调控力学超材料的波动集中装置，由于通过负电容电路可以实现对压电片等效弹性模量的调控，所以可以通过主动控制来改变此类力学超材料的内部参数，从而实现对弹性波传播特性的主动调控。本实施例一提供了一种主动调控的方式，能够使力学超材料中形成点缺陷来达到能量集中的目的。

本实施例一的力学超材料中点缺陷波动能量集中装置所采用的方案是：如图1a所示，在需要特定频率波动能量集中的部位周围，通过负电容电路调节使周围压电片等效弹性模量增大。当结构发生振动时，由于力学超材料最中间部分等效弹性模量低于其他部分，所以特定频率下的振动会在此处产生能量集中，实现了减振隔振的目的。本实施例一中使用的绳索选用鱼线，鱼线仅作为连接基体板结构与隔振台上支架的装置。夹具4的作用是使板结构中产生弯曲波。

本实施例一提供的主动调控力学超材料的波动能量集中装置的结构如图1a和图2a所示，包括基体板1、压电片2、负电容电路3、鱼线5和夹具4。基体板1为ABS材料板式结构，通过鱼线5悬挂在隔振台上的支架上，基体板1通过夹具与激振器连接，在基体板的正反两面周期性的粘贴压电片，所述压电片在基体板正反两面相对应的位置7×7周期性粘贴；组成具有主动控制性能的周期结构，从a-i 9个点测试响应信号。

具体的，基体板1为ABS薄板。基体板1由鱼线悬挂在隔振台上。基体板1的左侧与夹具4相连。基体板1中正反两面周期性的粘贴有压电片2，组成周期结构，另外每个压电片单独连接负电容电路以调节其等效弹性模量实现主动调控。

具体的，如图3所示，基体板1与激振器的连接中，夹具中间的螺栓孔，用于固定螺杆一端，螺杆另一端与激振器连接，螺杆作为激振器的振动传导轴，将振动传导轴穿过夹具与基体板固定在一起，夹具上设置有4个直径相同的孔洞，每个孔洞配有一个螺母来夹紧ABS基体板，从而使板受力均匀来激发弯曲波。

图4为负电容电路示意图，负电容电路是现在主动控制领域应用比较普遍的一种电路形式，其连接方式分为很多种，此处以其中一种进行理论计算。此结构与其他电路的明显区别是运算放大器的接入，R₂为滑动变阻器，可以通过调节滑动变阻器的大小改变电路参数，从而改变压电片等效参数，进而实现主动控制的目的。其中复阻抗Z＝1/(-α×C_p×s)，其中α＝(R₂×C₀)/(R₁×C_p)，C₀为外接电容，C_p为压电片等效电容值。

上述实施例一的主动调控力学超材料的波动集中装置的工作原理包括：

基于板式周期结构带隙特性的理论，由于压电片的分布为周期形式的力学超材料构型，故对特定频率的弹性波具有抑制传播特性的频率带隙。当弹性波在板式周期结构中传播时，由于带隙的作用，某些特定频率下的弹性波传播会被抑制。而当结构中存在缺陷时，某些特性频率下的弹性波会局域在缺陷处产生能量集中。

本装置利用由压电片和负电容电路组成的主动控制系统，通过调节电路参数来改变此类力学超材料的内部等效参数来使结构中形成点缺陷，在点缺陷处产生能量集中。主要通过调节电阻R₁与R₂的比值来对结构进行主动调控。简谐振动下压电片的等效弹性模量为

其中ω为波动频率，h_p代表压电片厚度，s₁₁ ^E为压电片的柔顺系数，A_s为压电片面积，Z为电路复阻抗，在负电容电路当中复阻抗Z＝1/(-α×C_p×s)，其中α＝(R₂×C₀)/(R₁×C_p)，C₀为外接电容，C_p为压电片等效电容值。除中间压电片外，其余压电片连接负电容电路，取α值为0.9时，当频率为4574Hz的时候，可以得到点缺陷处的振动位移明显大于其他地方，说明弹性波传播到此处被禁止，力学超材料中弹性波传播时产生点缺陷能量集中。

根据实施例一的实验室结果，本实施例一装置在负电容电路的作用下形成点缺陷，见图2a，实验测试点缺陷处及其周围9个点的响应，实验所测得的结果如图5a至图5i所示，当频率为4574Hz时，点缺陷处e点所测得的响应值明显大于其他8个位置的响应值，说明弯曲波在特定频率下会局限在点缺陷处产生能量集中，通过实验证明了理论的正确性。

综上，本实施例一的装置相比以往周期隔振装置，采用由压电片和负电容电路组成的波动集中装置来调节此类力学超材料中的等效参数，从而在结构中引入点缺陷产生能量集中。该装置可以用于需要抑制特定频率弹性波与振动的情况，通过主动调控产生点缺陷来产生能量集中，从而达到减振抗振的目的。

本发明的装置的只测试了某一特定频率下的点缺陷能量集中，但是通过调节电路参数可是实现不同频率下弹性波的能量集中，并且易于调节。

实施例二

通过人工周期结构在几何与材料参数上的变化，可以对周期结构弹性波带的传播特性进行人为调控。本实施例二提出了一种主动调控弯曲波的超材料波动线缺陷装置，由于通过负电容电路可以实现对压电片等效弹性模量的调控，所以可以通过主动控制来改变板式弹性波超材料的内部参数，从而实现对弹性波传播特性的主动调控。本实施例二提供了主动调控的方式，能够使板式弹性波超材料中形成线缺陷来达到控制弯曲波传播方向的目的。

本实施例二的主动调控弯曲波的超材料波动线缺陷装置所采用的方案是：如图1b所示，在需要形成线缺陷的部位周围，通过负电容电路调节使周围压电片等效弹性模量增大。当结构发生振动时，由于板式弹性波超材料中间部分等效弹性模量低于其他部分，所以特定频率下的弯曲波会在此处产生能量集中，并沿线缺陷传播，实现了对弯曲波传播方向的主动控制。本装置中虽含有鱼线，但鱼线仅作为连接结构与隔振台的装置。夹具的作用是使板结构中产生弯曲波。

本发明实施例二提供的主动调控弯曲波的超材料波动线缺陷装置的结构如图1b所示，包括：基体板1、压电片2、负电容电路3、鱼线4和夹具5。图2b为上述装置的实际构型空间表示图。所述基体板为ABS材料板式结构，通过鱼线悬挂在隔振台上，基体板通过夹具与激振器连接，在所述基体板的正反两面周期的粘贴压电片，组成具有主动控制性能的周期结构，从a-i9个点测试结构响应。

基体板1为ABS薄板。基体板1由鱼线悬挂在隔振台上。基体板1的左侧与夹具5相连。基体板1中正反两面周期性的粘贴有压电片2，组成周期结构，另外每个压电片单独连接负电容电路以调节其等效弹性模量实现主动调控。

具体的，如图3所示，基体板1与激振器的连接中，夹具中间的螺栓孔，用于固定螺杆一端，螺杆另一端与激振器连接，螺杆作为激振器的振动传导轴，将振动传导轴穿过夹具与基体板固定在一起，夹具上设置有4个直径相同的孔洞，每个孔洞配有一个螺母来夹紧ABS基体板，从而使板受力均匀来激发弯曲波。

图4为负电容电路示意图，负电容电路是现在主动控制领域应用比较普遍的一种电路形式，并且具有很好的调节作用，其连接方式分为很多种，此处以其中一种进行理论计算。此结构与其他电路的明显区别是运算放大器的接入，R₂为滑动变阻器，可以通过调节滑动变阻器的大小改变电路参数，从而改变压电片等效参数，进而实现主动控制的目的。其中复阻抗Z＝1/(-α×C_p×s)，其中α＝(R₂×C₀)/(R₁×C_p)，C₀为外接电容，C_p为压电片等效电容值。

上述实施例二的主动调控弯曲波的超材料波动线缺陷装置的工作原理包括：

基于板式周期结构带隙特性的理论，由于压电片的分布为周期形式，故对特定频率的弹性波具有抑制其传播的频率带隙。当弹性波在板式周期结构中传播时，由于带隙的作用，某些特定频率下的弹性波传播会被抑制。而当结构中存在线缺陷时，某些特性频率下的弹性波会局域在线缺陷处并沿线缺陷传播。

本装置利用由压电片和负电容电路组成的主动控制系统，通过调节电路参数来改变板式弹性波超材料的内部等效参数来使结构中形成波动，并使特定频率的弯曲波沿波动传播。主要通过调节电阻R₁与R₂的比值来对结构中压电片的等效弹性模量进行主动调控。简谐振动下压电片的等效弹性模量为

其中ω为波动频率，h_p代表压电片厚度，s₁₁ ^E为压电片的柔顺系数，A_s为压电片面积，Z为电路复阻抗，在负电容电路当中复阻抗Z＝1/(-α×C_p×s)，其中α＝(R₂×C₀)/(R₁×C_p)，C₀为外接电容，C_p为压电片等效电容值。除中间一列压电片外，其余压电片连接负电容电路，取α值为0.9时，当频率为4486Hz的时候，可以得到线缺陷处的振动位移明显大于其他地方，说明特定频率下的弯曲波传播到线缺陷处时会沿线缺陷传播，从而可以对弯曲波的传播方向进行主动控制。

根据实施例二的实验室结果，本实施例二构型装置在负电容电路的作用下形成线缺陷，实验测试线缺陷处及其周围9个点的响应，实验所测得的结果如图6a至图6i所示，当频率为4486Hz时，线缺陷处d-f3个点所测得的响应值明显大于其他6个位置的响应值，说明弯曲波在特定频率下会沿线缺陷传播，通过实验证明了理论的正确性。

综上所述，本发明实施例二的装置相比以往周期隔振装置，本实施例二采用由压电片和负电容电路组成的主动控制系统来调节板式弹性波超材料中的等效参数，从而在结构中引入线缺陷来控制弹性波传播方向。该装置可以用于需要改变特定频率弹性波传播方向的情况，通过主动调控产生线缺陷来达到减振抗振的目的。

本实施例二的装置的只模拟和测试了某一特定频率下的弯曲波会沿线缺陷传播，但是本装置可以通过调节电路参数来实现对不同频率下弯曲波的传播方向的控制，由于负电容电路的作用，本装置具有易于调节的优点。

本装置的整体由ABS基体板、P-4型号的矩形压电片、各种电路元件以及简单的机械结构组成。该装置的结构设计简单，易于采购装配，设计完成后非常易于操作。

以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，其特征在于，包括基体板、压电片和负电容电路；所述基体板为ABS材料的板状结构，通过绳索悬挂在支架上，所述基体板一侧安装有用于与激振器连接的夹具，在所述基体板的正反两面分别周期性的粘贴有矩形结构的所述压电片，每个压电片都与负电容电路连接，组成能够进行主动调控的周期结构。

2.根据权利要求1所述具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，其特征在于，所述基体板两侧都连接有绳索，两根绳索与基体板两侧的距离相等，所述绳索的长度相等，以使波动装置保持水平，所述夹具通过螺栓和螺母固定在基体板的一侧，所述夹具设有孔洞，所述孔洞直径与螺母直径相同，所述夹具用于配合激振器激发弯曲波。

3.根据权利要求1或2所述具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，其特征在于，所述绳索为鱼线。

4.根据权利要求1所述具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，其特征在于，所述压电片为P-4型号的矩形压电片，固有弹性模量为79.336GPa并且能够通过外接电路进行调节。

5.根据权利要求1或4所述具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，其特征在于，所述压电片在基体板正反两面相对应的位置呈7×7周期性粘贴排列。

6.根据权利要求1所述具有主动调控功能的力学超材料的波动装置，其特征在于，所述负电容电路和运算放大器连接，通过调节负电容电路中电阻的大小改变电路参数，以改变压电片等效参数，实现主动控制的目的。

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