CN112352116A

CN112352116A - 小型低频波吸收器件

Info

Publication number: CN112352116A
Application number: CN201980041345.2A
Authority: CN
Inventors: 沈平; 董镇
Original assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Current assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: WO2020038409A1; US20210317896A1; CN112352116B

Abstract

提供了一种为低频噪声和振动提供衰减阻尼的方法。惯性质量转子的旋转平移用于提供低频噪声和振动的衰减阻尼。该方法包括提供具有可线性平移构件的轴向组件；以及将惯性质量转子联结于惯性可线性平移构件上，以引发由所述惯性可线性平移构件的轴向运动向惯性质量转子的旋转运动的转化，进而以平移‑旋转耦合的形式提供惯性放大效应。安装轴向组件使得惯性可线性平移构件的轴向运动转化为惯性质量转子的旋转运动。这使得能够构建紧凑型装配体，其允许多个超低频谐振集中，并吸收如此低频的噪声能量。还提供了一种低频噪声和振动衰减阻尼装置以及用于提供低频噪声和振动的衰减阻尼的装置。

Description

小型低频波吸收器件

相关申请

本专利申请要求于2018年8月22日提交的美国临时专利申请第62/764,958号的优先权，该专利申请转让给了本发明的受让人并由本发明人提交，并且该专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于吸收能量的低频和地震波吸收波，并补救低频噪声和振动。

背景技术

本公开中所用的术语“低频机械波”是指频率范围为0.1到300Hz的地震波、低频振动以及噪声。此类低频机械波由于波长非常长，因而很难被阻断或吸收，除非使用尺寸非常大的材料和结构。超材料通过利用谐振能够在实现亚波长样品尺寸的方面体现出其作用。但对于如此低频的范畴，即使是亚波长谐振通常也需要极重的质量，以至于无法应用到实际。

声音在空气中以绝热形式传播，且几乎不会消散。在传统吸声材料中，消散主要通过粘性边界层内的相对运动以及通过破坏声音传播的绝热特性的固体的热传导而集中在固体-空气界面处。声音/噪声消散的这种基本性质决定了大多数常规的吸声材料在结构上是多孔的，例如声学海绵、矿物棉或玻璃棉，其具有大的表面体积比，使得消散系数可能较大。由于总吸收取决于消散系数与能量密度的乘积，因此，使用声学超材料来吸收声音的兴趣激增。声学超材料的许多新颖性能是由局部谐振引起的，局部谐振会导致较大的能量密度，从而导致有效的能量消散。尤其是，声学超材料可以在低频下以极薄的样品厚度进行吸收，这是传统吸收材料无法实现的壮举。

传统的多孔吸收材料和声学超材料吸收材料在低频吸收方面都具有缺点。传统的吸收材料具有固定的吸收谱，其只能通过改变样品的厚度进行调整，而声学超材料固有弱点是窄频带，这是由于局部谐振导致超材料的特性所致。例如，虽然声学超材料可以在低频下以非常薄的样品厚度完美吸收，但吸收峰本来就非常窄；即，仅在特定的设计频率下才能获得良好的吸收；然而，大多数实际应用却通常需要宽频吸收。在传统的基于谐振的衰减系统中，低频衰减通常需要极大的质量。对于传统的吸收材料，低频总存在问题，因为需要大体积的样品来进行高吸收，这在许多应用中是不切实际的。

因此，在通常的噪声衰减应用中，有两个问题必须被提及：

1.对于给定的波吸收谱，是否存在一个吸波样品的最薄厚度极限？

2.是否可以通过将工作在不同频率的多个局域谐振器加以组合来拓宽声学超材料的吸收频谱？

在实际应用中，极低频波能量的衰减通常是一个无人涉及的空白领域，现有技术要么需要大型或笨重的结构或材料，要么只能针对更高频的衰减或吸收。用一种无需极大尺寸和重量的结构来提供对噪声、振动和地震波的衰减，具有现实需求。

发明内容

用线性平移构件和惯性质量转子来实现对低频噪声和振动的耗散。惯性质量转子联结至惯性线性平移构件，以使得惯性线性平移构件的轴向运动转化为惯性质量转子的旋转运动。这种联结以平移-旋转耦合的形式提供了惯性放大效应。

附图说明

图1A和图1B为示出了质量振子-弹簧链的基本单元的侧视(图1A)和端视(图1B)的示意图。

图2为示出了使用了多个图1A和图1B中所示的基本单元的吸波器件的结构示意图。

图3A和图3B为示出了安装了压电型能量收集部件之后的基本单元的侧视(图3A)和端视(图3B)的示意图。

图4A和图4B为示出了安装了法拉第型能量收集部件之后的基本单元的侧视(图4A)和端视(图4B)的示意图。

具体实施方式

总述

当声波或电磁波入射到结构或材料的表面上时，将以反射波加穿透结构或材料的波的形式产生响应。这种波响应必须具有因果关系，即，在任何给定时刻的波响应只能取决于该时刻之前发生的情况，这称为因果原理。换言之，未来入射的波不会影响现在的响应。当以数学语言表达时，这种直观的且看似微不足道的陈述可能具有深刻的含义，其涉及几乎所有物理领域。因果原理的一个实例为19世纪20年代由汉斯·克喇末(Hans Kramers)和拉尔夫·克勒尼希(Ralph Kronig)所推导出的电磁介电函数的实部和虚部之间的关系，被称为Kramers-Kronig关系。因果原理的一个鲜为人知的含义是将样品厚度与电磁波吸收谱联系起来的不等式。将样品厚度和电磁波吸收谱进行连结的声学领域版本可以表达为：

其中

λ(＝2πv₀/ω)表示空气中的声波波长，式中v₀＝340m/sec为空气中的声速，

ω为波的角频率，

A(λ)为吸收谱，

B_eff为吸声结构在静态极限下的有效体积模量，

B₀为空气的体积模量。

可以将等式(1)解释为，对于给定的样品厚度d，由等式(1)右侧指示的积分给出的吸收资源的数量有限。对于以低频为中心的吸收谱，所需的样品厚度量要比相同频率宽度以较高频为中心的吸收谱所需的样品厚度量多得多。等式(1)基本上回答了上面提出的第一个问题，其为等式(1)右侧。

紧接着相关的一个问题是，是否可以通过将工作在不同频率的多个局域谐振器加以组合来拓宽声学超材料的吸收频谱。先前，通过关注垂直入射于吸收器件的波，设计出了频段集成方案，以实现可调的、针对最终目标的、具有最小样品厚度的吸收谱。如果将此种方案应用于极低频的振动和噪声上，由因果限制所决定的最小样品厚度仍会在很多应用中仍显得过大而不切实际。因此本公开将平移惯量转化为旋转惯量，从而能够实现小尺寸、轻重量的低频谐振。

通过利用以前未被应用过的方向性自由度和惯性放大效应，是有可能实现极小型的低频的宽频波吸收器件，其可收集范围为0.1到300赫兹的地震波以及低频振动和噪声的能量。这种器件可被设计为具有比因果原理(因果限制)所决定的下限小得多的尺寸和重量。小和相对轻意味着应用上的灵活性(例如在小而受限的空间内)并且利于低成本的规模化制造。这种器件同时可被用于减弱由机械、变压器或引擎引发的低频噪声和振动。该器件可以使低频振动源或噪声源附近环境、生活或工作的人以及生活在地震区域的人受益。

在0.1到300Hz这一频率范围，前面背景技术中给出的因果原理所给出的最小样品厚度过于偏大(例如，大于50cm)以至于在多数实际情形的应用中显得不切实际。在因果原理积分中所用的吸收谱是由垂直入射于样品或入射角度于垂直方向在60度以内的平面波所计算或测量而得到的。对于90度的入射，吸收为零。本文中定义水平方向为样品的支撑表面，该支撑表面在该水平方向将总被看作在宏观尺度上为均质的。在这一方面上的观察开启了一种设计小尺寸器件的可能性，其具有收集极低频波的能量的横向的振荡/谐振以、在此前未被吸收结构所考虑到的自由度(这在因果原理的限制之外)。

众所周知，地震运动中最具破坏性的为水平运动。对于其它低频振动，本公开的器件将会在两种情形下工作，一为开放环境情形，其振动源的方向性完全确定，因而器件的放置方式是重要的，二为环境受限的情形，由于多重散射造成方向性界定方面较为不明晰。在后一情形中，仅需一个在某特定方向上的吸收槽即可吸收大部分的振动能量，这是因为从多重散射能量方面来讲的方向性均衡会保证在各方向上的波能量是强耦合在一起的。

本公开利用一种尺寸显著更小、重量显著更轻的器件，其联同有非常有效的耗散功率。这些特点使得该器件更易于被规模化制造，同时在实际应用场景中更具灵活性。

在决定沿着水平方向传播的波能量的数量值的时候，可以看到，对于地震活动，水平的地面运动对于建筑和结构最具破坏性。本公开描述的小型器件，能够吸收和收集源自水平激发的能量，对于耗散地震波非常适合。此外，在该极低频率范围，由于波长极大因此从一切实际目的的角度看，可以认为耗散必然发生于振动源所在的近场范围。另外，如果在附近存在散射物或障碍物(在如此长的距离上是非常可能的)，那么将会有非常强的多重散射，和不同传播方向上的波能量之间以及空气/水/固体中的波能量之间的能量交换。由此带来的结果为，将缺少像平面波情形中的那种可被完全定义的波矢，同时声与振动之间区分也变得不再明晰。

由于多重散射，例如源自有限封闭空间的边界或源自障碍物，所带来的可被完全定义的波矢的缺少，使用机械波来表示声和振动的一般范畴。即使器件仅对沿水平反向的激发敏感，这也是成立的，由多重散射带来的强方向性耦合使得能量可以从其它方向给入。假如此小型器件被设计为也对竖向方向的位移敏感，例如通过附接于振动源的器件底面上的支座元件将竖向方向位移转化为水平方向位移，这一耦合可被进一步增强。此特定元件可将竖向位移转化为使得置于两个软橡胶、海绵或其它弹性体中的两个相反放置的永磁体的间隔靠近，进而促使器件发生水平位移以恢复两磁体的原有间隔。

此器件的能量收集功能提供了在减弱低频噪声/振动以外的额外益处。本公开中介绍的器件针对低频声学范围(50到350Hz)和地震波频率范围(0.4到2Hz)。此类谐振能被用于在几瓦特的数量级上耗散波的能量，从而使得该器件的能量收集效果颇具前景。对于地震波吸收器件，其可以以极大数量的形式被埋置于地下(例如在建筑物的地下或周边)，在一场20秒的地震中将会产生数量可观的能量用于储存和使用。

本公开的技术可被用于对低频噪声/振动有衰减需要的居住或工作场所，例如飞行器，其它交通工具，工厂等等。本公开还提供了一种对吸收地震波范围的振动有效用的独特方案。大数量的地震波能量吸收器件可被埋置于建筑物地下或周边以用于对地震波能量的耗散，进而减弱破坏力。带来的优点包括：

–本公开的技术针对的是比其它声吸收设计更为低频的范围，达到了地震波的范围。即使是地震波范围也可以被本公开的设计以相对小型化和符合实际的器件尺寸所涵盖。

–该技术提供了紧凑和轻重量的结构，可用于一系列应用中，实例包括但不限于对电动机引擎、飞机和机械的噪声的抑制。

–该技术可以用相对简易的结构设计和物料选择来实现，这有利于低成本的规模化制造。

器件构造

以下是此小型低频波吸收器件的非限制性示例。需要注意的是，具体的机械组件是以非限制性示例的方式给出，等效的机械组件也可被用于构成基本单元以实现相同的物理性能。

图1A和图1B为示出了质量振子-弹簧链的基本单元101的侧视(图1A)和端视(图1B)的示意图。示出的为螺杆轴111、惯性质量转子112、弹簧113、滚珠轴承114、以及插销杆115和滑轨116。同时示出有外壳117，其形成刚性框架，和滚珠轴承座118。转子112设置有凹槽119，凹槽119为滚珠轴承的旋转提供轨道并使得转子112可以进行旋转运动。转子112可由软橡胶基底形成，但是凹槽119的表面是由适合用于低摩擦轴承运动的材料构成。若干磁铁(未在图1中示出)被嵌于外壳117的基底中。在功能方面，外壳117执行的作用是为装置提供支撑、遮盖物或装配承载。根据设计的选择，外壳117可以为封闭的遮盖物或开放的平台底座或其它支撑。

本机构的运动部件均被镀膜上干性润滑剂，例如二硫化钨润滑剂。基本单元充当质量振子-弹簧谐振器的作用，并且旋转运动显著放大了谐振振荡器的等效质量。在确定谐振频率时，弹簧113被给予一个弹性系数。螺杆轴111的直径和质量为固定值。

螺杆轴111起到惯性的线性可平移构件的作用。当有平移运动时，转子112被限制为只可发生旋转运动而不会被螺杆轴111带动发生轴向移动，而插在螺杆轴111两端的两个插销杆115阻止了螺杆轴111的旋转，使得使螺杆轴只能有平移运动。插销杆115的另一端会被限定于滑轨116中，使插销杆115可进行平移运动。滚珠轴承座118具有弹簧机构(没有单独示出)以向外推动滚珠轴承114。插销杆115被限定于底部滑轨中，使得螺杆轴可进行轴向运动但阻止了螺杆轴响应于转子的旋转而反向旋转。底部滑轨提供了(反作用)力矩以打破螺杆轴-转子体系的角动量守恒。替代地，可以使用紧固在框架或外壳117上的衬套轴承(未示出)。结果，转子112在轴向上相对于外壳117为固定位置，而螺杆轴111相对外壳117可轴向运动。螺杆轴111的轴向运动引发了转子112的旋转，这导致了惯性放大效应。惯性放大效应归因于转子112的旋转惯量和质量的比例，以及螺纹结构的减速比。

尽管描述了螺纹结构，但是应当理解也可以使用其它可将质量体的平移运动转化为旋转惯量的技术以提供从线性惯量到旋转惯量的转化。

对于小型和轻重量的机械波衰减器件来说，核心要求为对超低频波有增强的灵敏度。谐振能够极大增强灵敏度。由于低频谐振需要大重量，因此本公开使用惯性放大效应的概念来减小(若干数量级程度地)低频谐振器的所需重量和尺寸。本公开的设计包含三项组件：

(1)惯性放大的质量振子及弹簧谐振器链，其可对超低频的激发有敏感的响应，

(2)能量转换装置，以及

(3)器件的支座，其可将竖向的压力变化转换为水平运动。

本设计的第一项组件使用了惯性放大效应的概念，其原本为实现在周期性结构中的低频带隙而提出，来实现更轻质量和更小结构。通过用轴上的螺旋槽这一形式(即，螺杆轴111)，此概念被用于将线性运动耦合于转子112的旋转，进而显著放大从谐振器方面来考虑的有效质量。在质量振子-弹簧谐振器的基本单元中，弹簧113被假定为具有某一弹性系数，螺杆轴111具有一定半径，而转子112作为对应的螺母提供了质量。转子112在轴向上被滚珠轴承114固定，滚珠轴承与转子112外缘的凹槽119相配合。螺杆轴111驱动其它组件(即，通过螺纹结构驱动转子112)作为对振动的响应。螺杆轴111的轴向运动是由整个器件的水平振荡运动所驱动的，整个器件提供了具有振荡加速度的框架。当发生平移运动时，转子112被安装的滚珠轴承限制而只可被螺杆轴111迫使发生旋转运动，而插在螺杆轴两端的两个插销杆115防止了螺杆轴的旋转，换言之螺杆轴111只发生平移运动。插销杆的另外一端被限定于使得插销杆115可平移运动的滑轨116中。外壳117承载整个装配体和滚珠轴承座118。滚珠轴承座118具有弹簧机构(未被单独示出)来向外推动滚珠轴承114。

图2为示出了使用了多个图1A和图1B中所示的基本单元101的吸波器件的结构示意图。该多个基本单元101的结构示出了该吸波器件的完整装配。还示出了安装于外壳117上的橡胶层221，其内嵌有磁铁222，使得磁铁222嵌于附接至外壳的橡胶/海绵层的内部。

在这种装配中，摩擦力通常是一个难题。商品化的二硫化钨(WS₂)在此被用来做润滑性的镀膜，其摩擦系数为0.035，镀膜覆盖所有螺纹和螺杆轴间，以及插销杆和凹槽滑轨间的界面。二硫化钨作为非限制性示例而给出，因为其它润滑剂也可被用于相同目的。

为了考察惯性放大效应，使用如下的质量振子-弹簧链的运动方程：

其中

u_n代表第n个质量单元的位移，

β代表弹簧弹性系数，

f_y代表螺杆轴由于和转子(螺母)耦合而受到的水平方向的力。

由几何条件2πr₁·f_x＝d·f_y，其中d为螺纹的周期，以及转子的力矩方程，可以得到：

其中

I_m2代表转子的旋转惯量。

螺杆轴(m₁)被设计的内含限制所阻止而不能发生旋转。因此我们可以使用一般性的质量振子-弹簧运动方程：

其中

代表惯性放大后的质量。

可以看出放大系数(以γ来表示)可以非常巨大以至于m可以以几个数量级程度地大于实际总质量m₁+m₂，因而实现了用轻重量和小型器件达到极低谐振频率的目标。

方程(11)给出有N个单元的整套器件的频率范围，由下式表达：

值得格外注意的是，螺杆轴部件只被允许发生平移运动，这使转子得以被驱动。设计中，螺杆轴两端将被插有插销杆，插销杆的一端将被限制于沿轴向的凹槽中。其目的是提供必要的力矩以防止m₁旋转(并驱动m₂的旋转)，同时允许其平移运动。在该惯性放大机构中，动能的主要部分集中于转子的旋转能量。因此能量耗散/收集将通过在转子边缘安装电刷而在转子上来实现，电刷被用于在转子运动时触碰压电片并使其弯曲。

器件的第二项组件为支座，其应具有将一些竖向压力变化转化为水平运动的功能。图2示意性地示出了一种非常简单和相当低成本的底部支座装配。在软橡胶层221中有两块磁体222，一块固定于外壳117的底面，另一块固定于支座表面225。两磁体222在竖向上分开，同极性相对，使得当软橡胶层被压缩时，会产生强斥力以将整个器件向左推动。压缩撤掉后，软橡胶将恢复原有厚度。由于斥力减小，整个器件会被橡胶的弹性力拉向右侧，至其原有位置。在压缩-恢复模式的每一循环中，外壳将会经历水平的左右运动循环。

图3A和图3B为示出了安装了压电型能量收集部件之后的基本单元的侧视(图3A)和端视(图3B)的示意图。示出的为转子339和附接至转子339的外缘的附件343。附件343提供了压电片344和转子339之间的物理连接，而外侧支撑件345稳固了压电片344。附件343与其余部件间无电学连接，但起到了使安装于器件框架内部的压电片弯曲，以使变形的压电片产生电能的作用，在压电能量收集的部分将会具体介绍。安装在器件框架内部的压电片弯曲以使压电片变形将机械能转化为了电能。

器件的第三项组件为将谐振链的动能转化为电能的能量转换部分。这可以用商业化的条状或片状压电片来在50-350Hz的范围上实现。对于0.4到1.8Hz的地震波频率范围，将运用一般性的法拉第定律来从转子的动能中产生电力。

图3示出了压电型能量收集部件是如何安装于器件上的。对于50-350Hz范围的吸波器件，多个压电片344被安装成环绕链的每个转子。这些压电片一端固定于器件框架，另一端可被转子外缘的附件343在转子旋转期间所弯曲。发生弯曲时，压电片两相反的表面上的电极可积蓄起电压差。压电片将与整流器、电容等配合，以实现电能的储存。

对于地震波吸收器件，可以使用法拉第型的发电结构。图4A和图4B为示出了安装了法拉第型能量收集部件之后的基本单元的侧视(图4A)和端视(图4B)的示意图。转子459具有开口466，开口466上穿绕有电感线圈或电绕组467。永磁体468与绕组467相互作用来产生电能。开口466为成对设置，分别在转子两侧的內缘和外缘。电绕组467穿过每对开口而缠绕。成对的永磁体468安装于器件框架上，其两个相对的磁极面向转子的两侧。当转子459旋转时，绕组459与永磁体468相互作用，因而根据法拉第定律产生电能。所产生的电流可以被送至储存电路。储存电路可以与其它已装设的输电网储存组件相组合使用。作为一个非限制性示例，可以使用超级电容器技术以快速吸收能量，并随后将能量释放至其它储存组件。

为加工此小型器件，其工作的频率范围及与此相关的参数首先被确定出来。作为非限制性示例，选定两个具体的工作频率范围，分别是50-350Hz和0.4-2Hz。前者旨在针对衰减交通工具、大的变压器及其它机器设备中的低频机械振动，而后者针对地震波。

对于N＝10个基本单元的质量振子-弹簧链，可以从方程(12)中推导出频率范围的下限和上限为：

对于50-350Hz的频率范围，螺杆轴和转子的尺寸参数设置如下：

α＝30°，r₁＝1mm，

l₁(m₁的长度)＝3mm，

d＝2πr₁tan30°＝3.6mm，

r₂＝6mm，l₂(m₂的长度)＝2mm。

这将推导出放大系数γ＝55.5，以及如下的单个单元的放大质量：

其中

α代表螺纹的倾斜角。

在此我们提出两种加工螺杆轴和转子的材料选择，两种选择均遵照上述的尺寸设计。选项一使用较轻的材料，为密度ρ＝2.7g/cm³的6061型铝合金，由此推导出

为了符合所需的50-350Hz频率范围，钢质弹簧的参数被选定为线径＝0.08mm，螺旋直径＝1.4mm，螺旋周期＝0.7mm，以及总长度＝3mm，因而使得弹簧弹性系数为β＝39N/mm。

第二种选项以更重的不锈钢来代替铝材料，其密度ρ＝8g/cm³，由此得出

对应的钢质弹簧的参数为线径＝0.1mm，螺旋直径＝1.3mm，螺旋周期＝0.65mm，以及总长度＝3mm，这使得弹簧弹性系数为β＝120N/mm。

此器件的尺寸可被估算出如下：

6.7(长度)×5.2(宽度)×2.4(高度)cm³，

对应铝制核心的器件，其总重量为80-110g，或者对应钢制核心的器件，其总重量为100-130g，重量包含能量收集组件在内。

此种器件的最大衰减功率范围分别为：对于铝制器件的50Hz到350Hz频率范围为0.5瓦特到3.5瓦特，，以及对于不锈钢制器件的50Hz到350Hz频率范围为1.5瓦特到10.4瓦特。

对于频率范围0.4-1.8Hz的地震波，选用N＝6个单元，得到

参数的取值为：

α＝15°,r₁＝5mm，

l₁(m₁的长度)＝36mm，

d＝2πr₁tan 15°＝8.4mm，

r₂＝60mm，l₂(m₂的长度)＝17mm。

由此得出放大系数γ＝1010，以及放大的单个单元质量

选用钢制弹簧的参数为线径＝0.3mm，螺旋直径＝5mm，螺旋周期＝2.5mm，总长度＝35mm，由此得个相对较弱的弹簧弹性系数β＝49N/mm。

选用密度ρ＝8kg/m³的不锈钢材料，得出

由此直接推导出

f_min＝0.4Hz,f_max＝1.75Hz。

此器件的估算尺寸为46.9(长度)×16.7(宽度)×13.8(高度)cm³，其总重量为23-24kg，包含法拉第型能量收集组件在内。若不使用惯性放大效应，仅单个单元的重量就需要为1,542kg。此重量及其相关尺寸将会属于土木建筑工程的范畴；而运用旋转运动，器件长度小于2英寸，重量小于25kg，从尺寸角度这将更易掌控。

为了大致了解此质量振子-弹簧链在谐振时可以激发出多少能量，以下给出对此器件衰减功率最大值的估计。对于50-350Hz范围的声学吸收器件，弹簧的最大压缩量被设定为0.43mm，而对于0.4-1.8Hz范围的地震波声学吸收器件，此参数被设定为12mm。基于此，以下表格列出了整个器件的10个或6个谐振模态所对应的动能的量值。值得注意的是，在前述假定下两种器件均可实现高达～10Watt的衰减功率。即使此能量功率仅有10％能被转化为电能并储存，此器件的能量收集效果仍旧非常具有前景。

表1示出了对整个器件的衰减功率最大值的估计，其基于假定弹簧最大压缩量为0.43mm(声学吸收器件)及12mm(地震波声学吸收器件)。

50-350Hz声学吸收器件，铝制核心

50-350Hz声学吸收器件，钢制核心

0.4-1.8Hz地震波声学吸收器件

表1

为加工此小型器件，可以使用3D打印技术来提供单个组件的初始原型，这一过程包含修正和故障。能量收集部分的组件将会被采购及做样品测试，同时进行的还包括电能储存相关的必要附件。在测试3D打印原型之后，可以制作必要的模具以加工成品器件的组件。成品组件被加工好之后，将被镀膜上WS₂润滑剂，之后组件将被装配成具有完整功能性的形式。

对于测试，器件将首先在水平振动平台上做变频测试。可依据是否由电能产生来检测器件工作与否。此项应为直观的测试，并且对于地震波频率范围，这可能为唯一符合实际的测试。在通过了第一轮测试之后，下一阶段器件将被置于外部环境中，将多个器件放置在噪声源区域，贴近源更佳，以探测噪声下降/振动抑制以及能量收集的实际效果。可对安装多个器件前后的噪声量级和振动量级进行比较，同时改变安装器件的数量，以观察效果的变化。

总结

将理解，本领域技术人员可以在如由所附权利要求表述的本发明的原则和范围内对已经在此描述并示出为解释主题的性质的部件在细节、材料、步骤和布置上进行许多额外的改变。例如，尽管本公开给出螺纹结构用以实现轴向运动到旋转惯量的转化，但是也可以使用其它机构实现这一功能，如杠杆系统或其它线性-旋转转化机制。

Claims

1.一种为低频噪声和振动提供衰减阻尼的方法，所述方法包括：

提供具有可线性平移构件的轴向组件；

将惯性质量转子联结于惯性可线性平移构件上，以引发由所述惯性可线性平移构件的轴向运动向所述惯性质量转子的旋转运动的转化，进而以平移-旋转耦合的形式提供惯性放大效应。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

提供螺纹型惯性可线性平移构件，以作为具有所述可线性平移构件的轴向组件。

将所述惯性质量转子安装于所述螺纹型惯性可线性平移构件的螺纹结构上，以引发由所述螺纹型惯性可线性平移构件的轴向运动向所述惯性质量转子的旋转运动的转化。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

将所述惯性质量转子保持在至少部分受约束的轴向位置，以使所述螺纹型惯性可线性平移构件的运动驱动所述惯性质量转子围绕所述惯性可线性平移构件的所述螺纹结构旋转。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

从所述惯性质量转子的旋转运动中提取能量。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

从所述惯性质量转子的旋转运动中提取能量；以及

储存所提取的能量。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过由机械运动到电能的电磁转换方式从所述惯性质量转子的旋转运动中提取能量；以及

储存所提取的能量。

7.一种低频噪声和振动的衰减阻尼装置，其包括：

支撑件或遮盖物；

惯性可线性平移构件，其被支撑于所述支撑件或遮盖物内部；

惯性质量转子，其被支撑于所述支撑件或遮盖物内部；

联结件，其将所述惯性可线性平移构件耦合于所述惯性质量转子，将所述惯性可线性平移构件耦合于所述惯性质量转子以引发所述惯性可线性平移构件的轴向运动转化为所述惯性质量转子的旋转运动，进而以平移-旋转耦合的形式提供惯性放大效应。

8.根据权利要求7所述的装置，还包括：

可线性平移构件，其包括螺纹型部分；

惯性质量转子，其具有螺纹型安装部分，用以将所述惯性质量转子安装于所述惯性可线性平移构件的螺纹型部分上，以使所述的由所述惯性可线性平移构件到所述惯性质量转子的耦合生效，进而引发响应于所述惯性可线性平移构件的轴向运动的、由所述螺纹型惯性可线性平移构件的轴向运动向所述惯性质量转子的旋转运动的转化。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括：

用于所述惯性质量转子的支撑件，其将所述惯性质量转子保持在至少部分受约束的轴向位置，以使所述螺纹型惯性可线性平移构件的运动驱动所述惯性质量转子围绕所述惯性可线性平移构件的螺纹结构发生旋转。

10.根据权利要求7所述的装置，还包括：

惯性可线性平移构件，其包括具有螺纹型安装部分的轴向支撑杆；

安装件，其将所述轴向支撑杆固定在轴向位置并允许所述轴向支撑杆在轴向发生线性运动；以及

所述惯性质量转子，其具有与所述轴向支撑杆的螺纹型安装部分相配合的螺纹结构，以将所述惯性质量转子支撑于所述螺纹型安装部分上同时允许所述惯性质量转子在所述螺纹型安装部分上发生旋转运动，进而引发所述的由所述螺纹型惯性可线性平移构件的轴向运动向所述惯性质量转子的旋转运动的转化。

11.根据权利要求7所述的装置，还包括：

能量转换或吸收机构，其能够从所述惯性质量转子的旋转运动中提取能量。

12.根据权利要求7所述的装置，还包括：

能量转换或吸收机构，其能够从所述惯性质量转子的旋转运动中提取能量；以及

用以捕获电能的能量储存电路。

13.根据权利要求7所述的装置，还包括：

偏置机构，其将所述轴向支撑杆朝向中立位置偏置。

14.一种用于提供低频噪声和振动的衰减阻尼的装置，其包括：

支撑件或遮盖物；

惯性部件，其通过相对支撑件或遮盖物发生线性运动以对振动或运动做出响应；

惯性质量转子；以及

平移-旋转耦合部件，用以将所述惯性部件的线性运动转化为所述惯性质量转子的旋转运动。

15.根据权利要求14所述的装置，还包括：

惯性部件，其通过相对于所述支撑件或遮盖物发生线性移动以对振动或运动做出响应，所述惯性部件包括惯性可线性平移构件；以及

将所述惯性质量转子保持在至少部分受约束的轴向位置的部件，使得所述惯性可线性平移构件的运动驱动所述惯性质量转子围绕着通过相对于所述支撑件或遮盖物发生线性移动以对振动或运动做出响应的所述惯性部件发生旋转。

16.根据权利要求14所述的装置，还包括：

提供对振动或运动做出响应的所述惯性部件与所述惯性质量转子之间的连接，作为平移-旋转耦合的手段；以及

安装所述惯性质量转子的部件，其以如下方式对所述惯性质量转子加以约束，引发通过相对于所述遮盖物发生线性移动以对振动或运动做出响应的所述惯性部件的线性平移，从而借由所述平移-旋转耦合手段而转化为所述惯性质量转子的旋转运动。

17.根据权利要求14所述的装置，还包括：

提供对振动或运动做出响应的所述惯性部件与所述惯性质量转子之间的螺纹型连接，作为平移-旋转耦合的手段；以及

安装所述惯性质量转子的部件，其以如下方式对所述惯性质量转子加以约束，引发通过相对所述遮盖物发生线性移动以对振动或运动做出响应的所述惯性部件的线性平移，从而借由所述平移-旋转耦合手段而转化为所述惯性质量转子的旋转运动。

18.根据权利要求14所述的装置，还包括：

19.根据权利要求14所述的装置，还包括：

从所述内部质量的旋转运动中吸收或提取能量的部件。

20.根据权利要求14所述的装置，还包括：

能量转化或吸收的机构，其能够通过由机械运动到电能的电磁转换将所述惯性质量转子的旋转运动能量转化为电能；以及

用以捕获所述电能的能量储存电路。