CN111609070A

CN111609070A - 一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置

Info

Publication number: CN111609070A
Application number: CN202010434755.8A
Authority: CN
Inventors: 王毅泽; 郑若仪; 汪越胜
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2020-09-01

Abstract

本发明公开一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置，包括大质量块、小质量块和连杆；所述大质量块和小质量块均是由铝组成的长方体结构，所述大质量块和所述小质量块通过所述连杆依次交替铰接，大质量块和小质量上的每个铰接点形成准零刚度特性，共同组成直线型双振子周期结构。所述直线型双振子周期结构能够形成至少两条带隙结构，所述超材料装置所具有的准零刚度特性能够实现超低频范围内的强衰减效果。依次铰接的一个大质量块、一个小质量块和一个大质量块组成有单胞结构，每个大质量块和小质量块上均设有四个贯通的连接孔，所述连接孔内安装有铰接轴，相邻的一个大质量块和一个小质量块的同侧之间通过两个交错布置的连杆铰接。

Description

一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置

技术领域

本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及一种具有准零刚特性的直线型双振子弹性波超材料装置。

背景技术

近年来，周期结构以及弹性波超材料的研究引起了许多领域学者的广泛兴趣。其中一种弹性波超材料称为声子晶体，是一类材料常数呈周期变化的人造周期结构，其具有弹性波带隙特性。在带隙的频率范围内，弹性波无法从声子晶体中传播。此类减振降噪特性可以有效地运用在机械工程、航空航天、国防军工等诸多领域。

若通过采用准零刚度的周期结构形式，使得其中准零刚振子可以具有高静态低动态的刚度特性，将振子周期性排布，可以构成新型弹性波超材料。通过准零刚特性的设计，获得较低的整体系统刚度，进而可降低系统的固有频率，实现在低频甚至超低频范围内弹性波与振动的隔离，对于机械结构减振设计具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置，包括大质量块、小质量块和连杆；所述大质量块和小质量块均是由铝组成的长方体结构，所述大质量块和所述小质量块通过所述连杆依次交替铰接，大质量块和小质量上的每个铰接点形成准零刚度特性，共同组成直线型双振子周期结构。

进一步的，所述直线型双振子周期结构能够形成两条带隙结构，所述超材料装置所具有的准零刚度特性能够实现超低频范围内的强衰减效果。

进一步的，大质量块和小质量块的弹性模量材料常数E＝70GPa，泊松比ν为0.33，密度ρ为2700kg/m³。

进一步的，连杆采用聚四氟乙烯(PTEE)，材料常数E＝0.5GPa，泊松比ν为0.49，密度ρ为2000kg/m³。

进一步的，依次铰接的一个大质量块、一个小质量块和一个大质量块组成有单胞结构，每个大质量块和小质量块上均设有四个贯通的连接孔，所述连接孔内安装有铰接轴，相邻的一个大质量块和一个小质量块的同侧之间通过两个交错布置的连杆铰接。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明装置通过双振子和准零刚度特性来实现低频范围内的准静态带隙和强稳态和瞬态响应衰减效果，达到了稳态和瞬态下的减振隔振的目的。由于装置的准零刚特性，其单胞在1000Hz内存在两条宽带隙。因此在位移激励下，装置能实现1000Hz范围内的响应衰减效果。较以往弹性波超材料装置具有宽低频隔振的优点，可以用于需要抑制特定频率弹性波与瞬态振动的情况，可实现对精密仪器在低频振动过程中的保护。

与以往隔振装置不同的是，本发明利用双振子结构，通过引入准零刚特性，实现装置的零旋转刚度。这样可以在低频率弯曲波下，实现准静态范围带隙。此外，直线型双振子准零刚弹性波超材料在低频范围内都有较好的隔振降噪效果。

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1为本发明实施例提供的一种超材料装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的装置的正视表示图。

图3为本发明实施例提供的依次由大质量块、小质量块和大质量块组成的单胞结构示意图。

图4为本发明实施例提供的质量块和连杆铰接示意图。

图5为本发明实施例提供的单胞结构带隙图。

图6a和图6b为本发明实施例提供的单胞结构分别为0Hz和600Hz的本征模态图。

图7为本发明实施例提供的稳态激励传输响应有限元模拟结果。

图8为本发明实施例提供的瞬态激励信号图。

图9为本发明实施例提供的瞬态激励时域响应有限元模拟结果。

图10为本发明实施例提供的瞬态激励频域响应有限元模拟结果。

附图标记：1-大质量块，2-小质量块，3-连杆

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。

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。本发明实施例提出了一种具有宽低频隔振降噪性能的直线型准零刚度超材料装置，由于准零刚度特性可以实现准静态带隙，从而实现在准静态频率范围内对弹性波进行调控。本发明提供双振子准零刚度结构使弹性波超材料达到在低频内的隔振效果。

本发明实施例的具有宽低频隔振降噪性能的直线型准零刚装置所采用的方案是：在装置的边缘施加稳态和瞬态位移激励，由于装置的准零刚特性，得到低频率范围内强衰减响应，实现减振隔振的目的。

本发明实施例提供的超材料装置的结构如图1所示，包括：大质量块1、小质量块2、连杆3。图2为上述装置的正视表示图。质量块均为铝材，弹性模量材料常数E＝70GPa，泊松比ν为0.33，密度ρ为2700kg/m³，连杆采用聚四氟乙烯(PTEE)，材料常数E＝0.5GPa，泊松比ν为0.49，密度ρ为2000kg/m³。所有质量块和连杆通过铰链周期性连接，形成直线型准零刚度超材料装置。在A点处施加激励，B点处测试响应信号。

图3为本发明实例提供的一种单胞结构示意图。依次铰接的一个大质量块、一个小质量块和一个大质量块组成相应的单胞结构，每个大质量块和小质量块上均设有四个贯通的连接孔，连接孔内安装有铰接轴，相邻的一个大质量块和一个小质量块的同侧之间通过两个交错布置的连杆铰接；本发明直线型准零刚度超材料装置即由该单胞结构周期排列组成。

图4为质量块和连杆铰链连接示意图，其中边界a中心位置除相对于y轴的旋转分量θ_y，其他位移和旋转都与边界b中心处相同。因此，质量块和连杆可以相对于y轴独立自由转动，形成零旋转刚度特性。

上述实施例中涉及的直线型准零刚度超材料装置的工作原理如下：

弹簧质量系统是研究直线型准零刚弹性波超材料的理论基础，可以有效的减少系统的自由度却可以完好的保留系统周期特性和单元的基本力学特性。当弯曲波从装置中传播时，由于装置的旋转刚度为零，可以在0Hz附近产生接近水平的频散曲线。因此在低频范围内，装置可以实现响应的强衰减效果。

图5为通过有限元计算得到的单胞结构带隙图，在1000Hz低频范围内形成了两个非常宽的禁带。第一个准静态禁带的范围为0.006Hz-478Hz，并且第二个禁带的范围则为600Hz-970Hz。

图6a和图6b分别为0Hz和600Hz处的振型模态。第一支频散曲线的模态图显示杆件作为控制单胞整体刚度的弹簧，几乎不存在变形，此时振型对应的结构几乎为零刚度。

图7为通过有限元计算得到的稳态位移激励下的传输响应关系，其中横坐标为频率，纵坐标为透射系数。在计算过程中，采用了8个单胞结构组成的有限周期超材料系统。在超材料的左端A处施加z向稳态位移激励，分别在A和B处测量z向位移响应w₁和w₂，传输率可表示为

w₁为0.005m，w₂为所测得的响应幅值。结果显示在0-500Hz以及600Hz-920Hz的范围内，弹性波发生明显的衰减现象。其中，传输系数越小意则表明弹性波在传输过程衰减越明显。

图8为瞬态激励信号图。施加的高斯脉冲激励U为

U＝A sin[2πf(t-t₀)]exp[-(t-t₀)/τ]²

其中，A为幅值，f为中心频率，t₀是峰值出现点，τ描述波包宽度。

幅值A为0.005m、f为500Hz、t₀为3e-3s、τ为6e-3s。横坐标为时间t，纵坐标代表振幅。整个瞬态冲击波的持续作用时间为0.5s。选取右端部大质量块的边缘B处作为信号拾取点，采集输出响应。

图9为在瞬态位移激励下的时域响应，0-0.006s内的实线为激励点A处的振幅随时间变化的曲线，0-0.5s内的点划线为接收点B处的振幅随时间变化关系。由计算结果可知，在0.15s至0.27s范围内，接收点B处进行了小范围的振动，其幅值与激励点A处的幅值相比，存在明显的衰减效果。图10给出了对应的频域响应，其中横坐标表示频率，纵坐标反映响应幅值。图10表示了在0-1000Hz范围内的计算结果，从中可见0-780Hz范围内具有很好的衰减效果，接收点B处几乎保持静止。然而在750Hz-950Hz范围内，B点可以采集到动态信号，但其远小于激励点处的幅值。

综上所述，本发明实施例的装置相比以往周期隔振装置，本发明采用由质量块和连杆铰接形成双振子准零刚特性来调节直线型弹性波超材料中在低频范围内弹性波的传播。该装置可以用于需要抑制特定频率弹性波与振动的情况，通过准零刚特性产生准静态带隙，从而达到减振抗振的目的。

本发明的装置只测试了某特定稳态位移激励和瞬态位移激励，但是通过调节激励信号，可以实现不同宽度低频率范围内的衰减响应。

本装置的整体由铝块、聚四氟乙烯杆铰接组成。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。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

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

1.一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置，其特征在于，包括大质量块、小质量块和连杆；所述大质量块和小质量块均是由铝材组成的长方体结构，所述大质量块和所述小质量块通过所述连杆依次交替铰接，大质量块和小质量上的每个铰接点形成准零刚度特性，共同组成直线型双振子周期结构。

2.根据权利要求1所述一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置，其特征在于，所述直线型双振子周期结构能够形成两条带隙结构，所述超材料装置所具有的准零刚度特性能够实现超低频范围内的强衰减效果。

3.根据权利要求1所述一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置，其特征在于，大质量块和小质量块的弹性模量材料常数E＝70GPa，泊松比ν为0.33，密度ρ为2700kg/m³。

4.根据权利要求1所述一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置，其特征在于，连杆采用聚四氟乙烯(PTEE)，材料常数E＝0.5GPa，泊松比ν为0.49，密度ρ为2000kg/m³。

5.根据权利要求1所述一种具有宽低频隔振降噪性能的超材料装置，其特征在于，依次铰接的一个大质量块、一个小质量块和一个大质量块组成有单胞结构，每个大质量块和小质量块上均设有四个贯通的连接孔，所述连接孔内安装有铰接轴，相邻的一个大质量块和一个小质量块的同侧之间通过两个交错布置的连杆铰接。