CN113531022A

CN113531022A - 一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置

Info

Publication number: CN113531022A
Application number: CN202110843377.3A
Authority: CN
Inventors: 王毅泽; 张紫淳; 谭静远
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明公开一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置，包括基体梁，所述基体梁的上表面和下表面均通过连杆周期性的安装有局域振子，位于基体梁的上表面和下表面的局域振子均相互对称设置，形成双振子结构；每个连杆上均设置有压电片，每个所述压点片均与负电容电路连接，通过负电容电路调节压电片的等效杨氏模量将能量传给局域振子，以控制不同频率的弯曲波的传播。

Description

一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置

技术领域

本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，具体涉及一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置。

背景技术

与传统材料相比，由于声子晶体以及由此而提出的弹性波超材料具有独特的带隙特性，所以其应用非常广泛，目前已经在波导、滤波器、新型减振降噪材料等装置体现出了非常广阔的前景。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，早些年相关学者对其进行了广泛的研究。在现实生活和实际工程中，例如由于结构振动而引起的楼板墙壁振动破坏与噪声、以及由地震引起的建筑物破坏、现代船舶对结构对振动和结构噪声的激励较为敏感等动态问题一直都是困扰人们的难题。而由声子晶体所引起的超材料的相关研究，为此类问题提供了新的思路。

人工周期结构连接电路弹性波超材料的便于调节特性，使得改变相关材料参数的成本大大降低。通过利用压电片的逆压电效应，弹性波的传播传给了局域振子，最终实现减振隔振。由于梁状结构在工程中较为常见，所以本装置对于实际工程中的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，提供一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置，包括基体梁，所述基体梁的上表面和下表面均通过连杆周期性的安装有局域振子，位于基体梁的上表面和下表面的局域振子均相互对称设置，形成双振子结构；每个连杆上均设置有压电片，每个所述压点片均与负电容电路连接，通过负电容电路调节压电片的等效杨氏模量将能量传给局域振子，以控制不同频率的弯曲波的传播。

进一步的，所述基体梁为3D打印白色光敏树脂的细直梁结构，进行主动调控的实验时将所述基体梁通过鱼线悬挂在隔振台上，基体梁的一侧安装夹具并与激振器连接，组成可以进行主动调控的周期结构。

进一步的，所述压电片为P-4矩形压电片，固有弹性模量为2.5×109Pa并且能够通过外接电路来调节。

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.与以往隔振装置不同的是，本发明通过连接负电容电路通电，在结构两侧加上一定的电压，从而使基体梁中某一列位置处的等效杨氏模量与其他地方不同，这样可以使弯曲波传给局域振子，一定频率下的弯曲波会被阻断传播，从而产生禁带。此装置可用在精密仪器、通讯设施以及建筑等领域中，减少声波、电磁波等波在传播过程中对基础设施的影响，从而提高设备的使用寿命。

2.负电容电路的添加，使得装置拥有便于调节的优点。本装置可以通过调节电路相关参数，通过电压的变化，使材料的等效杨氏模量发生变化。材料在不同的杨氏模量下，对振动的传播具有不同的特性，在某些频率下可能实现禁带和通带的相互转化，变相的起到了更换材料的效果。例如在建筑工程领域，为了达到隔音效果，可以调节楼房墙壁和吊顶的相关材料参数，不需再次更换材料，既便捷又节省成本；在精密仪器制造领域，在不同频率的振动下设置不同的电路参数，可减少仪器内部材料的损坏。

3.本发明具有双局域振子特征，使得本发明可以具有多个振动与波动带隙，而以往单局域振子结构只具有单独或少量带隙，隔振频率区间不足。在相同的基体梁条件下，双局域振子可实现振动进一步阻隔，进而提升隔振效果。例如在建筑材料领域，在墙面的内测与外侧同时安装局域振子，可进一步吸收音量。

4.本发明相比于之前装置，由于负电容电路的加入，具有更大的调节范围，可以实现在更大频率范围内进行禁带和通带的转化，使得波可以在更广阔的范围内进行传播和阻隔，从而拥有更广阔的应用领域。

5.本发明通过对部分压电片等效弹性模量的主动调控，通过对局域振子的引入，进一步控制弯曲波传播方向，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特点，并可以在不同电场条件下实现不同状态，可以用于在特定频率下抑制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1为本发明局域共振超材料装置的单胞结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3本发明局域共振超材料装置的正视结构示意图。

图4为本发明局域共振超材料装置的立体结构示意图。

图5a和图5b表示本发明装置在频率为600-700Hz之间振幅有一个明显的变化，说明在电路的调节下材料的等效杨氏模量发生变化，从而实现禁带与通带的转化。

图6a和图6b表示本发明装置在600-700Hz之间与200-300振幅有一个明显的变化，说明在电路的调节下材料的等效杨氏模量发生变化，从而实现禁带与通带的转化。

图7a和图7b表示在700Hz的条件下，图7b为通路，图7a为开路，可以发现在不同的电路条件下，振动的幅值发生了明显的变化，说明禁带和通路发生了变化。

图8a和图8b表示在1500Hz的条件下，图8b为通路，图8a为开路，可以发现在不同的电路条件下，振动的幅值发生了明显的变化，说明禁带和通路发生了变化。

图9a和图9b表示在1600Hz的条件下，图9b为通路，图9a为开路，可以发现在不同的电路条件下，振动的幅值发生了明显的变化，说明禁带和通路发生了变化。

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。

下面详细描述本发明的实施方式，所述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。

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。

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主动调控弯曲波的超材料波导装置，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。本发明提供了一种主动调控的方式，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。

本发明实施例的一种主动调控弯曲波的超材料波导装置所采用的方案是：在需要形成调节材料相关参数使，通过负电容电路调节使周围压电片等效弹性模量增大。当本发明超材料装置发生振动时，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，并传给局域振子，实现了对弯曲波传播地减弱。本装置在实验过程中使用到鱼线，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。

本发明实施例提供的一种主动阻隔弯曲波传播的超材料波导装置如图1至图4所示，其中图1和图2分别是构成局域共振超材料装置的单胞结构的正视结构示意图和侧视结构示意图；

包括局域振子1、基体梁2、连杆3。基体梁2为3D打印梁式结构，具体实验时可通过鱼线将基体梁2悬挂在隔振台上，并通过夹具将基体梁的一端与激振器连接，在基体梁的上表面和下表面均周期性的通过连杆3连接有局域振子1；每个连杆上均粘贴有压电片，每个压电片单独连接负电容电路以调节其等效杨氏模量实现主动调控。如图3-图4本实施例中每个基体梁2的上下两侧分别相对应的设置7对局域振子。

负电容电路是现在主动控制领域应用比较普遍并且具有很好的调节作用的一种电路形式，在其中一种的连接方式下进行理论计算。此结构与其他电路的明显区别是放大器的接入，放大器负向输入端连接电路正极，正向输入端接地，R₂为滑动变阻器，可以通过调节电阻的大小改变电路中的电流电压，从而改变压电片等效参数，最终实现主动控制。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。

上述发明实施例的一种主动调控弯曲波的超材料波导装置的工作原理包括：

基于压电片地逆压电效应，周期形式的压电片分布形成双振子机构，从而对特定频率的弹性波传给局域振子，最终产生隔振效果。

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梁式弹性波超材料的内部等效杨氏模量，从而结构中形成波导，并使特定频率的弯曲波沿波导传播。负电容电路主要通过调节电阻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，A_s为压电片电极面积，h_p为压电片厚度，

为弹性柔顺系数，d₃₁为压电系数，i为虚数单位，ω为电流圆频率。

据实验室模拟结果，本实验室构型装置在负电容电路的作用下形成易于调节材料参数的结构，模拟计算结果如表1、2、3所示。

图5a和图5b表示本发明装置在表1的材料参数下，在频率为600-700Hz之间振幅有一个明显的变化，说明在电路的调节下材料的等效杨氏模量发生变化，从而实现禁带与通带的转化。

图6a和图6b表示本发明装置在表2的材料参数下，在600-700Hz之间与200-300振幅有一个明显的变化，说明在电路的调节下材料的等效杨氏模量发生变化，从而实现禁带与通带的转化。

图7a和图7b表示本发明装置在表3的材料参数下在700Hz的条件下，图7b为通路，图7a为开路，可以发现在不同的电路条件下，振动的幅值发生了明显的变化，说明禁带和通路发生了变化。

图8a和图8b表示本发明装置在表3的材料参数下在1500Hz的条件下，图8b为通路，图8a为开路，可以发现在不同的电路条件下，振动的幅值发生了明显的变化，说明禁带和通路发生了变化。

图9a和图9b表示本发明装置在表3的材料参数下在1600Hz的条件下，图9b为通路，图9a为开路，可以发现在不同的电路条件下，振动的幅值发生了明显的变化，说明禁带和通路发生了变化。

表1第一次连杆材料设置参数(原始参数)

属性	变量	值	单位
				杨氏模量	E	3e9	Pa
泊松比	nu	0.35	1
				密度	rho	1210	kg/m<sup>3</sup>

表2第二次连杆材料设置参数

属性	变量	值	单位
				杨氏模量	E	4e9	Pa
泊松比	nu	0.35	1
				密度	rho	1210	kg/m<sup>3</sup>

表3第三次连杆材料设置参数

综上所述，本发明实施例的装置相比以往周期隔振装置，本发明采用由压电片和负电容电路组成的主动控制系统来调节梁式弹性波超材料中的等效杨氏模量，进而通过能量传播给局域振子从而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，通过主动调控电路相关参数将能量传播给局域振子来达到减振抗振的目的。

本装置可以通过调节电路参数来控制对不同频率下弯曲波的传播方向，在负电容电路的作用下，本装置具有易于调节的优点。

本装置的整体由3D打印梁状结构、P-4压电陶瓷、各种电路元件以及简单的夹具组成。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。

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

1.一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置，其特征在于，包括基体梁，所述基体梁的上表面和下表面均通过连杆周期性的安装有局域振子，位于基体梁的上表面和下表面的局域振子均相互对称设置，形成双振子结构；每个连杆上均设置有压电片，每个所述压点片均与负电容电路连接，通过负电容电路调节压电片的等效杨氏模量将能量传给局域振子，以控制不同频率的弯曲波的传播。

2.根据权利要求1所述一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置，其特征在于，所述基体梁为3D打印白色光敏树脂的细直梁结构，进行主动调控的实验时将所述基体梁通过鱼线悬挂在隔振台上，基体梁的一侧安装夹具并与激振器连接，组成可以进行主动调控的周期结构。

3.根据权利要求1所述一种用于低频隔振的主动控制局域共振超材料装置，其特征在于，所述压电片为P-4矩形压电片，固有弹性模量为2.5×10⁹Pa并且能够通过外接电路来调节。