CN113339438A - 一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置，包括准零刚基体、压电陶瓷片、负电容电路、细线和激振器；准零刚基体由质量块和连杆组成，质量块为长方体结构，质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，连接孔安装有连接轴；质量块通过连接轴和连杆彼此间相互铰接形成有呈正方晶格点阵排布的平面型周期结构，每个质量块与其相邻的每个质量块之间通过一组连杆铰接连接，由此形成准零刚度特性；每组连杆上均设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片均设有负电容电路，组成具有主动控制性能的平面型周期结构隔振装置；准零刚基体通过细线悬挂在隔振台上，准零刚基体与激振器紧贴设置。

Description

一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置

技术领域

本发明涉及人工弹性波超材料与声子晶体技术领域，以及主动调控弯曲波的超材料波导装置。

背景技术

超材料指的是一种拥有特殊性质的人工材料，自然界是不存在的。它们的特殊性质是传统材料无法达到的。它的特殊不在于成分上，而在于其独有的几何结构和几何大小，这种特殊结构对波有所影响，因此对于超材料的初步研究就是负折射率超材料。它的奇异性质使其拥有广泛前景。其中有一种弹性波超材料被称为声子晶体，它的弹性常数和密度呈现周期性变化，具有弹性波带隙特性，我们可以调节带隙频率来达到对于波传播的控制。这个优越的性质使得声子晶体已经应用于很多新型装置，成为力学、医学、航空航天等很多领域。目前，对低频范围内的振动研究是这个领域目前研究的重点难点。因此抑制声子晶体中低频内宽带隙范围的波动是需要尽快解决的问题。本发明就根据基于零转动刚度思想，采用平面型准零刚声子晶体，它所具有的低频能带结构这一特性，可以很好地控制结构低频波动与振动传输，从而为低频隔振降噪提供了不一样的研究路线。平面型声子晶体一直以来都是比较受欢迎的研究领域，依据薄板理论，当弯曲波在结构中传播时，有希望在不同传播方向实现更加低频的禁带。

除此之外，本发明还利用主动控制弯曲波的装置来优化减振的效果。目前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就引起了很多关注，弹性波超材料由于它的弹性波和振动的禁止传播频率带隙，应用于机械工程、土木工程、航空航天等隔振降噪领域中。

声子晶体结构存在弹性波带隙特性，带隙频率范围内的弹性波传播被有效抑制，取得减振隔振的目的。由于使用的压电陶瓷片是实际工程中最常见的，所以本装置对于实际工程中的减振设计有很大帮助。

与往常隔振装置不同的是，平面型准零刚声子晶体具有多方向的低频带隙，并且借助连接负电容电路使声子晶体中连接单胞的连杆等效弹性模量发生改变，从而可以在原有平面型准零刚超材料的基础上进一步优化在特定频率减振隔振的效果。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，基于零转动刚度思想，采用正方晶格点阵排列的平面型准零刚弹性波超材料，以其为基体提供一种主动调控弯曲波低频带隙的声子晶体隔振装置，以克服现有技术的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置，包括准零刚基体、压电陶瓷片、负电容电路、细线和激振器；所述准零刚基体由质量块和连杆组成，所述质量块为长方体结构，所述质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，所述连接孔安装有连接轴；所述质量块通过所述连接轴和所述连杆彼此间相互铰接形成有呈正方晶格点阵排布且具有周期性的准零刚基体结构，每个质量块与其相邻的每个质量块之间通过一组连杆铰接连接，由此形成准零刚度特性；每组所述连杆上均设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片均设有负电容电路，组成具有主动控制性能的平面型周期结构隔振装置；通过负电容电路调节压电陶瓷片的等效弹性模量以拓宽禁带的低频减振隔振效果；准零刚基体通过细线悬挂在隔振台上，所述准零刚基体与激振器紧贴设置。

进一步的，所述质量块和连杆均为聚四氟乙烯材料，构成准零刚基体的7×7周期性准零刚结构，压电陶瓷片为PZT-5h矩形压电陶瓷片。

进一步的，两个相互铰接的质量块相互正对的矩形凹槽内通过两个相互交叉设置的连杆铰接，即每组连杆由两个相互交叉设置的连杆组成。

进一步的，准零刚基体两侧都连接有细线，两根细线与基体两侧的距离相等，选用的细线的长度相等，使得准零刚基体处于水平状态，激振器固定在准零刚基体一侧。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明基于零转动刚度理论，采用平面型准零刚超材料模型，使得不同传播方向处弹性波或者声波会形成禁带达到低频隔振的目的，同时考虑准零刚结构的低频禁带特性以及附加压电陶瓷片，通过连接负电容电路来调节压电陶瓷片的等效弹性模量来拓宽禁带的低频减振隔振效果。

2.压电陶瓷片上设有负电容电路，电路正极连接放大器负向输入端，正向输入端接地，可以通过调节电路中电阻的大小改变电路参数，从而改变压电陶瓷片等效参数，进而实现主动控制的目的；相较于其他电路可以较大范围的调节压电陶瓷片的等效弹性模量。

3.准零刚基体的7×7周期性准零刚结构，可在不同方向存在弹性波低频禁带，压电陶瓷片为PZT-5h矩形压电陶瓷片，其固有弹性模量为56GPa并且可以通过外接电路来调节。

4.压电陶瓷片粘贴在交叉设置的连杆两侧，使隔振装置本身具有带隙特性。

5.准零刚基体为聚四氟乙烯材质的平面型准零刚模型结构，具有高静态低动态的刚度特性，实现不同方向宽低频的禁带。

6.通过外接负电容电路，可以改变准零刚的隔振频率区间，在准零刚本身具有低频隔振特性的同时，增加了宽频率区间的低频隔振特性，因此本发明具有主动可调的宽低频隔振特性。

7.本发明装置通过人工设计弹性波超材料的几何尺寸以及几何结构使其达到准零刚的效果，达到具有不同方向低频能带结构的特性，再附加负电容电路调节内部滑动变阻器参数来实现对压电陶瓷片等效弹性模量的调节，通过对部分压电陶瓷片等效弹性模量的主动调控，达到了减振隔振的目的。较以往波导装置具有操作方便易于调节的有点，可以用于需要抑制特定频率弹性波与振动的情况，可实现在实际工程中减振隔振的目的。

附图说明

图1a和1b为本发明实施例提供的一种可主动调控多方向隔振的准零刚声子晶体平面设计图及应用状态图。

图2为本发明实现压电陶瓷片贴入的具体图。

图3为本发明实施例提供的负电容电路示意图。

图4a和图4b为本发明装置的有限元模拟频响曲线；其中图4a和图4b分别为通电前频响曲线和通电后传输响应曲线。

图5a和图5b分别为准零刚基体在1600Hz下通电前、后的模态结果图。

图6a和图6b分别为准零刚基体在1800Hz下通电前、后的模态结果图。

图7a和图7b分别为准零刚基体在2600Hz下通电前、后的模态结果图。

图8a和图8b分别为准零刚基体在500Hz下通电前、后的单点幅值图。

图9a和图9b分别为准零刚基体在1500Hz下通电前、后的单点幅值图。

图10a和图10b分别为准零刚基体在1600Hz下通电前、后的单点幅值图。

图11a和图11b分别为准零刚基体在2800Hz下通电前、后的单点幅值图。

图12a和图12b分别为准零刚基体在2900Hz下通电前、后的单点幅值图。

图13a和图13b分别为准零刚基体在3000Hz下通电前、后的单点幅值图。

附图说明：1-准零刚基体；2-压电陶瓷片；3-负电容电路

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

利用平面型准零刚超材料的不同方向低频禁带特性起到减振隔振作用，再通过人为构造周期结构在几何与材料参数上的变化，也就是等效模量的变化，可以对周期结构下弹性波传播特性进行主动调控。本发明实例提出了一种主动控制准零刚超材料平面设计，由于通过负电容电路可以实现对压电陶瓷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。本发明提供了一种准零刚模型附加主动调控的方式，能够使弹性波超材料中形成低频隔振的目的。

本发明实施例的一种可主动调控多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置所采用的方案是：基于零转动刚度思想的新型超材料，设计独有的正方晶格点阵排列的平面型准零刚弹性波超材料，得到弯曲弹性波的低频宽带隙，再在交叉连杆的压电陶瓷片上连接负电容电路调节使周围压电陶瓷片等效弹性模量增大，优化低频带隙。当准零刚基体结构发生振动时，由于弹性波超材料低频带隙效果良好，所以某些频率下的弯曲波会在此处停止传播，实现了对弯曲波频率传播的主动控制。本装置中虽含有细线，但细线仅作为连接准零刚基体结构与隔振台的工件。激振器提供左侧的线位移信号。

本发明实施例提供的一种可主动调控多方向隔振的准零刚声子晶体平面设计的结构如图1a和1b所示，包括：准零刚基体1、压电陶瓷片2、负电容电路3、细线4和激振器5。图2为上述装置的实际贴入压电陶瓷片结构图。本实施例中准零刚基体为聚四氟乙烯材料周期型结构，通过细线悬挂在隔振台上，准零刚基体与激振器紧贴，在准零刚基体中用于连接各个质量块的交叉连杆上粘贴压电陶瓷片，组成具有主动控制性能的周期结构，在基体最右侧一列测试结构响应。另外每个压电陶瓷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。本实施例中连杆的尺寸与压电陶瓷片尺寸相对应；压电片长度小于杆长、压电片宽度等于杆的宽度，也就是压电片位于杆内。

本实施例中准零刚基体由质量块和连杆组成，质量块为长方体结构，质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，连接孔安装有连接轴；质量块通过连接轴和连杆彼此间相互铰接形成有呈正方晶格点阵排布的平面型周期结构，每个质量块与其相邻的每个质量块之间通过一组连杆铰接连接，由此形成准零刚度特性；两个相互铰接的质量块相互正对的矩形凹槽内通过两个相互交叉设置的连杆铰接，即每组连杆由两个相互交叉设置的连杆组成。

图3为负电容电路示意图，首先利用理论计算得出纯电阻电路，电感电容电路以及负电容电路三种比较常用电路对于压电陶瓷片等效模量参数的影响程度，最后对比计算数据发现纯电阻电路随着频率变化压电陶瓷片弹性模量参数变化较小，而电感电容电路在某些频率下压电陶瓷片模量突变，不稳定，所以本发明采用负电容电路。负电容电路在目前的主动控制领域中应用十分广泛，而且可以方便地调节，电路有许多连接方式，这里用其中一种进行理论计算。负电容电路和其他电路不同的是有一个放大器，电路正极和放大器负向输入端相连，然后正向输入端接地，R₂为滑动变阻器，电路就是通过调节滑动变阻器的阻值来改变电路参数，进而改变压电陶瓷片等效模量，实现主动控制。其中复阻抗Z＝1/(-α×C_p×s)，α＝(R₂×C₀)/(R₁×C_p)，C₀为外接电容，C_p为压电陶瓷片等效电容值。

上述发明实施例的一种可主动调控多方向隔振的准零刚声子晶体的工作原理包括：

基于周期结构的带隙理论，由于准零刚单胞分布为周期形式，故对特定频率的弹性波具有抑制其传播的频率带隙。当弹性波在周期结构中传播时，由于带隙的作用，某些特定频率下以及不同方向的弹性波传播会受到抑制。再加上负电容电路调控使得结构某些特性频率下的弹性波传播终止。

本装置利用由压电陶瓷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弹性波超材料的内部等效参数来优化结构的禁带，使特定频率的弹性波传播受阻。通过调节电阻R₁与R₂的比值来对结构中压电陶瓷片的等效弹性模量进行主动调控。简谐振动下压电陶瓷片的等效弹性模量为

其中Z为电路复阻抗，在负电容电路当中复阻抗Z＝1/(-α×C_p×s)，h_p为压电陶瓷片的厚度，ω为频率，

为弹性柔顺系数，d₃₁为压电系数，A_s为压电陶瓷片电极面积。其中α＝(R₂×C₀)/(R₁×C_p)，C₀为外接电容，C_p为压电陶瓷片等效电容值。除中间一列压电陶瓷片外，其余压电陶瓷片连接负电容电路，取α值为0.8时，模拟结果如图4a和图4b所示，模态图体现出某些频率下的弯曲波在周期型准零刚超材料模型内传播终止，对低频弹性波进行主动控制。

据实验室结果，本实验室隔振装置在负电容电路的作用下改变连杆等效弹性模量，实验给予7×7周期性排列的准零刚基体中最左侧一列向下的线位移激励，实验测试7×7周期性排列的准零刚基体中最右侧一列的响应，实验所测得的结果如图5a至图13b所示，图5a至7b里的六张图分别是在1600hz，1800hz，2600hz频率下未接入主动控制和已接入主动控制的模态图，左边是未连接电路，右边是已连接电路。从图中可以得出在三个不同频率下未连接负电容电路模型也有一定的隔振效果，而连接了负电容电路隔振效果有一定的提高，或效果大或效果小。

图8a至图13b是实验中选取三个频率下的单点幅值图。将实验中单个频率下的位移幅值图与有限元模拟的单个频率模态图比较，可以明显地看出实验结果与理论计算大致相同，阻碍弹性波传播的效果也和传输响应曲线的走势相同，曲线中的转折点和实际实验测量有些许偏差，也在接受范围之内。由下图可以看出在500Hz，1500Hz，1600Hz，2800Hz，2900Hz和3000Hz频率下通电后比通电前的接收幅值较低一些，接入负电容电路之后的低频带隙得到拓宽。

综上所述，本发明实施例的装置相比以往周期隔振装置，本发明采用由压电陶瓷片和负电容电路组成的主动控制系统来调节平面型准零刚声子晶体中的等效模量，从而达到对不同方向特定频率弹性波的控制。该装置可以用于通过主动调控产生对低频信号减振抗振的目的。

本发明的装置的只模拟和测试了某一特定频率下的信号传输响应，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主动控制，由于负电容电路的作用以及准零刚模型的灵活性，本装置具有易于调节的优点。

本装置的整体由聚四氟乙烯准零刚、PZT-5h压电陶瓷、各种电路元件组成。该装置的结构设计简单，材料的购买与组装比较方便，实际手动操作也便于上手。

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。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。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。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

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 (4)

1.一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置，其特征在于，包括准零刚基体、压电陶瓷片、负电容电路、细线和激振器；所述准零刚基体由质量块和连杆组成，所述质量块为长方体结构，所述质量块的四个侧面中部均设有上表面和下表面相互贯通的矩形凹槽，每个矩形凹槽其中一侧的侧壁上端和另一侧的侧壁下端均设有连接孔，所述连接孔安装有连接轴；所述质量块通过所述连接轴和所述连杆彼此间相互铰接形成有呈正方晶格点阵排布且具有周期性的准零刚基体结构，每个质量块与其相邻的每个质量块之间通过一组连杆铰接连接，由此形成准零刚度特性；每组所述连杆上均设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片均设有负电容电路，组成具有主动控制性能的平面型周期结构隔振装置；通过负电容电路调节压电陶瓷片的等效弹性模量以拓宽禁带的低频减振隔振效果；准零刚基体通过细线悬挂在隔振台上，所述准零刚基体与激振器紧贴设置。

2.根据权利要求1所述一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置，其特征在于，所述质量块和连杆均为聚四氟乙烯材料，构成准零刚基体的7×7周期性准零刚结构，压电陶瓷片为PZT-5h矩形压电陶瓷片。

3.根据权利要求1所述一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置，其特征在于，两个相互铰接的质量块相互正对的矩形凹槽内通过两个相互交叉设置的连杆铰接，即每组连杆由两个相互交叉设置的连杆组成。

4.根据权利要求1所述一种可主动控制多方向隔振的准零刚声子晶体隔振装置，其特征在于，准零刚基体两侧都连接有细线，两根细线与基体两侧的距离相等，选用的细线的长度相等，使得准零刚基体处于水平状态，激振器固定在准零刚基体一侧。

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