CN113808562A - 一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料 - Google Patents
一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料，本结构由框架、薄膜和质量块3个部分粘接而成。该声学超材料基于局域共振原理，可以有效降低较低频率下的振动传递，且在某些频段下减振效果可达50dB以上。该结构具有尺寸小、质量轻、作用频率范围广、可拓展性能好等优点，可以广泛应用于航空航天、舰船潜艇、地面交通等领域。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料，属于超材料 和减振降噪技术领域。
背景技术
在传统结构的设计中，往往追求结构在质量约束条件下的静力学特性，而对由于结构刚 度特性的提高所带来的振动与噪声问题的关注较少。结构的振动显著影响着系统的可靠性、 安全性和系统寿命，也是噪声问题的根源。噪声会对操作人员的舒适程度和身体健康造成严 重危害，还会破坏战斗机、潜艇等设备的隐蔽性，造成不可预料的后果。随着轻质、高强度、 高刚度材料的大量应用，设备面临的高振动与高噪声问题也日益突出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料，本发 明可以有效地获得较宽频率范围的低频带隙，且尺寸较小，方便实际应用。
声学超材料是一种由人工设计的结构，通过调整超材料的整体结构和排列方式，可以实 现普通自然材料所没有的诸多性能，成为近些年来科学研究领域的热点之一。手性结构作为 一种新型工程结构，因其独特的力学性能而备受关注。与传统结构相比，手性结构具有负泊 松比特性，可以更好地抗剪切变形和阻尼特性，同时具有抗冲击、抗爆炸和一定的吸能能力。
本发明基于局域共振原理，结合手性结构，提出了一种兼具高承载、低宽频抑振性能的 三维手性声学超材料，该三维手性声学超材料由相同单胞尺寸的正方体单胞构成，其中任意 一个单胞包括框架和至少一个弹簧-质量块组件，其中框架为一体结构，由圆柱环、连接梁和 球构成，圆柱环的轴线穿过单胞的中心，圆柱环外侧底面与单胞所在正方体表面存在一定间 隙，连接梁的外侧与圆柱环外切，连接处添加一个突起以避免尖锐的过渡，连接梁的轴线穿 过球心。相邻单胞接触部分球的直径和材料相同，除了球结构外，相邻单胞的其他部分不彼 此接触。薄膜的直径与框架圆柱环的外直径相同，薄膜张紧且与框架圆柱环朝内侧的面紧密 粘接，因此具有一定的弹性，起到弹簧的作用。质量块连接在薄膜上且不与框架或其他质量 块接触，质量块的最大尺寸不超出正方体单胞的表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明结构由框架、薄膜和质量块3个部分粘接而成，该声学超材料基于局域共振原理， 可以有效降低较低频率下的振动传递，且在某些频段下减振效果可达50dB以上。该结构具有 尺寸小、质量轻、作用频率范围广、可拓展性能好等优点，可以广泛应用于航空航天、舰船 潜艇、地面交通等领域。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明的一个单胞示意图；
图3a-c为本发明的一个单胞中，圆柱环、连接梁和球的相对位置示意图；其中(a)为 轴测投影图，(b)为俯视图，(c)为正视图；
图4为本发明通过有限元计算得到的能带图(灰色部分为带隙)；
图5为本发明通过有限元计算得到的频响曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明做进一步的说明，内容为本发明的解释，并非对本发 明有任何限制。
本发明的一个实例及其单胞如图1-图3c所示。正方体单胞的晶格常数为30mm，框架材 料为尼龙，弹性模量为1312MPa，泊松比为0.33，密度为979kg/m3，框架圆柱环的外径为18mm， 内径为14mm，高度为2mm，框架连接梁的截面尺寸为2mm×1.5mm，球径为7mm。薄膜材料为 橡胶，弹性模量为0.77MPa，泊松比为0.48，密度为1300kg/m3，厚度为0.5mm。质量块材料 为钢，弹性模量为205GPa，泊松比为0.28，密度为7850kg/m3，每个质量块的质量为0.6g， 粘贴在橡胶薄膜的中心。
该实例的带隙特性可以通过有限元计算得到，图4展示了计算得到的能带图，其在238.5Hz-365.9Hz具有完全带隙，处于这个频率范围内的弹性波在该结构中传播会受到抑制。
将单胞进行阵列，就得到了本发明所述的一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性 声学超材料，如图1所示。在实例的左侧施加向右的正弦波激励，并拾取激励点和实例右侧 的加速度幅值，可以得到该实例的频响曲线，如图5所示。在能带图完全带隙所在频率附近， 频响曲线出现了明显的传输峰谷，表明该结构具有隔振作用。
Claims (4)
1.一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料，所述的具有低频减振作用的三维手性声学超材料由相同边长的正方体单胞构成，其中任意一个单胞包括框架和至少一个弹簧-质量块组件，其中框架为一体结构，由圆柱环、连接梁和球构成，其特征在于：圆柱环的轴线穿过单胞的中心，圆柱环外侧底面与单胞所在正方体表面存在一定间隙，连接梁的外侧与圆柱环外切，连接处添加一个突起以避免尖锐的过渡，连接梁的轴线穿过球心。
2.根据权利要求1所述的具有低频减振作用的三维手性声学超材料，其特征在于：相邻单胞接触部分球的直径和材料相同，除了球结构外，相邻单胞的其他部分不彼此接触。
3.根据权利要求1所述的具有低频减振作用的三维手性声学超材料，其特征在于：薄膜的直径与框架圆柱环的外直径相同，薄膜张紧且与框架圆柱环朝内侧的面紧密粘接，因此具有一定的弹性，起到弹簧的作用。
4.根据权利要求1或3所述的具有低频减振作用的三维手性声学超材料，其特征在于：质量块连接在薄膜上且不与框架或其他质量块接触，质量块的最大尺寸不超出正方体单胞的表面。
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