CN114033822A - 一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，该装置由多个吸振频率不同的局域共振吸振单元构成，每个局域共振吸振单元能够吸收不同频率的振动，组合后的集成结构可以实现覆盖各单元吸振频带的协同耦合宽带吸振效果。进一步，局域共振吸振单元的吸振频率范围通过能带结构中的带隙频带确定，可以通过相同极化模式的单元或不同极化模式的单元组合成集成结构，可以吸收多种类型的振动。本发明与现有的局域共振吸振单元相比，吸振频带得到有效拓宽，可应用于各类装备的低频宽带吸振中。

Description

一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置

技术领域

本发明属于阻尼吸振技术领域，具体涉及一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置。

背景技术

声学超材料是21世纪以来声学领域的热点研究话题，对低频吸振技术的实现提供了新的途径。具体而言，可以通过局域共振原理，在局域共振声学超材料的带隙频率范围内，目标吸振结构中的振动能量传播到局域共振吸振单元，然后由单元局域化并最终消耗，从而达到吸收振动能量进而实现阻尼减振的效果。

以往提出的局域共振吸振单元往往是以单胞吸振为主，即通过对单个局域共振吸振单元的结构优化及带隙设计，使得带隙频率范围内的振动被有效吸收。而且，通过增加单元数量，可以进一步提升吸振效果。事实上，一个目标振动结构或装备中，振动峰是有多个的，而且彼此间频率往往相差很大。因此，通过单个局域共振吸振单元或吸振频率相同的多个局域共振吸振单元，只能吸收一定频带的振动，无法实现宽带吸振。

发明内容

本发明的目的在于克服现有吸振技术的不足，提供了一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，用于实现更宽频带范围内的局域共振阻尼吸振。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，由多个吸振频率不同的不同型号局域共振吸振元胞单元构成，每个单元能够吸收不同频率的振动，组合后的集成结构能够实现覆盖各单元吸振频带的协同耦合宽带吸振效果。

本发明进一步的改进在于，局域共振吸振单元的类型选择同种类型但参数不同的吸振单元，或者选择不同类型的吸振单元进行组合。

本发明进一步的改进在于，多个不同型号元胞单元之间是弱耦合的，即分隔框架具有足够高的局域化刚度，能够保证在吸振频带内每个单元的局域共振不会引起其余单元的共振。

本发明进一步的改进在于，每个局域共振吸振单元具有单自由度，通过多个单自由度局域共振吸振单元的协同作用，实现多自由度协同耦合宽带吸振，实际吸振频带相当于是各单元吸振频带的叠加，使得吸振频带得到有效拓宽。

本发明进一步的改进在于，局域共振吸振单元的吸振频率范围通过能带结构中的带隙频带确定。

本发明进一步的改进在于，局域共振吸振单元能够通过相同极化模式的单元或不同极化模式的单元组合成集成结构，且能够吸收多种类型的振动。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、通过多个具有不同带隙频率范围的单自由度局域共振吸振单元的协同耦合作用，实现更宽频率范围的吸振效果，相当于是各单元吸振频带的叠加；

2、随着不同型号的吸振单元数量的增加，相当于增加了整体吸振单元的附加质量，导致单个元胞对应吸振频带内的吸振效果也会增强；

3、通过总附加质量低于目标减振结构的1％的集成吸振单元，可以实现90％以上的超强振动衰减效果；

4、不同型号的吸振单元可以采用同种结构形式，也可以采用不同的结构形式；

5、不同型号的吸振单元即可以是相同的极化模式，也可以是不同的极化模式。

综上所述，根据本发明提供的一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置的上述特点，采用本发明提供的低频吸振装置能够提升局域共振吸振单元的吸振效果，并实现吸振频带的有效拓宽。这种装置通过多个吸振频率不同的局域共振吸振单元组合叠加，实现覆盖各单元吸振频带的宽带吸振效果。这种装置的优点除了宽频吸振效果外，还包括附加质量小、不产生额外的振动峰、不依赖于局域共振吸振单元类型等。由于各吸振单元之间属于弱耦合作用，在吸振频带内每个单元局域共振的同时，不会引起其余单元的共振，即局域共振吸振单元之间是单独工作的，所以能对更宽频带范围内进行局域共振吸振单元设计，实现宽频吸振效果。综上，这种吸振装置与现有的局域共振吸振单元相比，吸振频带得到有效拓宽，可应用于各类装备的低频宽带吸振中。

附图说明

图1为20-200Hz范围内原始钢板的归一化频响函数；

图2为半球形硅胶基薄板型局域共振吸振单元的结构示意图，其中图2(b)为图2(a)的俯视图；

图3为元胞的能带及带隙频率范围计算结果；

图4为多单元协同耦合吸振单元的安装示意图；

图5为不附加、附加单一半球形局域共振吸振单元和附加多个半球形局域共振吸振单元时钢板的归一化振动频响函数测量结果；

图6为圆柱形硅胶基薄板型单元的结构示意图，其中图6(b)为图6(a)的俯视图；

图7为圆柱形吸振单元的能带及带隙频率范围计算结果；

图8为不附加、附加单一圆柱形局域共振吸振单元和附加多个圆柱形局域共振吸振单元时钢板的归一化振动频响函数测量结果。

具体实施方式

下面结合附图中本发明实施案例的相关计算和测量结果，对本发明实施案例中的技术方案进行说明。显然，所描述的实施案例仅仅是本发明的一部分实施案例，而非全部实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施案例，都属于本发明保护的范围。

(一)多单元协同宽带集成吸振结构设计和实验验证

作为实施案例，选择一块500mm×500mm×3mm的正方形钢板作为目标吸振对象通过振动试验及归一化后的加速度频响函数(附图1)，其中FRF＝A/F(A为加速度、F为激振力)，得到目标钢板的目标频率为77Hz。选择半球形硅胶基薄板型元胞作为局域共振吸振单元，如附图2所示，元胞单元由三个部分组成，即质量块、薄板和框架。半球形质量块和薄板由硅橡胶组成，其中质量块提供质量，薄板提供刚度；框架由ABS塑料组成，对结构起支撑作用，并确保质量块有足够的振动空间，并提供局域化刚度。根据参数影响及目标吸振频率，作为实施案例，设计一组半球形元胞结构。晶格常数A＝36mm，薄板厚度T＝1.5mm，半球形质量块半径R＝12mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm。计算得到的能带结构如附图3所示，能够看到，半球形元胞的带隙频率范围为68-91.43Hz，其中包括68-84Hz的弯曲波带隙及84-91.426Hz的完全带隙，两个带隙连在一起形成一个更宽频带的带隙。目标减振频率处于带隙范围内，且位于带隙中心频率附近，带隙宽度为23.43Hz。

以该半球形单元为单元1，根据参数影响规律，对单元结构进行一定程度的调整，可以得到多种型号的单元。为说明多单元协同耦合宽频作用，在20-200Hz范围内，设计了另外三种带隙频率范围的单元结构。具体参数如下：单元2的晶格常数A＝36mm，薄板厚度T＝1mm，半球形质量块半径R＝11mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm，带隙频率范围为40.35-56.45Hz；单元3的晶格常数A＝36mm，薄板厚度T＝1.5mm，半球形质量块半径R＝12mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm，带隙频率范围为81.48-108.33Hz；单元4的晶格常数A＝28mm，薄板厚度T＝1.5mm，半球形质量块半径R＝10.5mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm，带隙频率范围为151.98-189.95Hz。然后，采用相应的工艺制备了所设计的四种型号的半球形单元，单元1的总质量为10.29g，四种型号单元的合计质量为38.04g，为目标减振钢板的0.64％。理论上讲，设计的多个单自由度局域共振吸振单元结构的类型无需一致，由于分隔框架具有足够高的局域化刚度，能够保证在吸振频带内每个单元的局域共振不会引起其余单元的共振，使单元间为弱耦合作用，不存在单元之间的相互影响即可。故可对任意带隙单元进行相互的组合，组合后实际吸振频带相当于是各单元吸振频带的叠加。

如附图4所示，将四个单元一同用强力胶粘贴至钢板正中央，利用锤击法测量多单元协同耦合集成吸振单元的吸振效果。未布置及布置单一半球形局域共振吸振单元和布置多个半球形局域共振吸振单元时的归一化频响函数如附图5所示。可以看到，在具有不同带隙频率范围的局域共振吸振单元的协同作用下，目标频率77Hz处的振动衰减率由单胞的92.64％提升到98.13％。此外，除了目标频率处，200Hz范围内其他振动波峰的衰减效果也有一定程度的提升，如200Hz范围内振动最为显著的169Hz，衰减率由单胞的93.81％提升至99.79％，因此，这种吸振装置能够有效拓宽吸振频率范围，提升局域共振吸振单元的吸振效果。

(二)结构形式的可扩展性分析

为了说明本发明中多单元协同耦合低频宽带吸振装置中结构形式的可扩展性，设计了圆柱形硅胶基薄板型吸振单元，如附图6所示。晶格常数A＝36mm，薄板厚度T＝1.5mm，圆柱体质量块半径R＝11mm、厚度H＝2mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm，计算得到的带隙为弯曲波带隙，如附图7所示，带隙范围为71.57-84.55Hz，目标频率77Hz大致落在带隙中间，带隙宽度为12.98Hz。同样，通过对结构参数进行调整，得到另外三组带隙频率范围不同的圆柱形单元，具体参数如下：单元2的晶格常数A＝36mm，薄板厚度T＝1mm，圆柱体质量块半径R＝10mm、厚度H＝2mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm，带隙频率范围为47.97-55.57Hz；单元3的晶格常数A＝36mm，薄板厚度T＝2mm，圆柱体质量块半径R＝11mm、厚度H＝2mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm，带隙频率范围为84.91-100.72Hz；单元4的晶格常数A＝28mm，薄板厚度T＝2mm，圆柱体质量块半径R＝10mm、厚度H＝2mm，框架厚度B＝4mm、宽度L＝3mm，带隙频率范围为154.86-178.32Hz。采用相应的工艺制备了所设计的四种型号的圆柱形单元，得到单元1的总质量为7.17g，四组单元的合计质量为26.03g，仅为目标吸振钢板的0.44％。

将设计好的四种带隙不同的圆柱形硅胶基薄板型单元附加在目标吸振钢板表面，通过锤击法测量吸振效果。不附加及附加单个圆柱形局域共振吸振单元和附加多个圆柱形局域共振吸振单元时钢板的归一化振动频响函数测量结果如附图8所示，可以看出，在多个具有不同带隙频率单位的单元的协同作用下，振动衰减率由单个单元的98.95％下降至91.85％，有一定程度的衰减，但是从整体上而言，宽带吸振效果得到了提升，20-200Hz频带范围内，大部分振动频率的衰减幅度明显增加。此外，随着振动频率的增大，不同单元间的多胞协同耦合作用会更加明显，如169Hz处的波峰衰减程度，由单胞的90.86％提升至97.10％。由此可以说明，这种多单元协同耦合宽带吸振装置能够适用于各种类型的局域共振吸振单元，结构形式具有很强的可拓展性。

根据上述数据可以看出，本发明能够达到的技术效果如下：

1、通过多个具有不同带隙频率范围的单自由度局域共振吸振单元的协同耦合作用，实现更宽频率范围的吸振效果，相当于是各单元吸振频带的叠加；

2、随着不同型号的吸振单元数量的增加，相当于增加了整体吸振单元的附加质量，导致单个元胞对应吸振频带内的吸振效果也会增强；

3、通过总附加质量低于目标减振结构的1％的集成吸振单元，可以实现90％以上的超强振动衰减效果；

4、不同型号的吸振单元可以采用同种结构形式，也可以采用不同的结构形式；

5、不同型号的吸振单元即可以是相同的极化模式，也可以是不同的极化模式。

综上所述，根据本发明提供的一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置的上述特点，采用本发明提供的低频吸振装置能够提升局域共振吸振单元的吸振效果，并实现吸振频带的有效拓宽。这种装置通过多个吸振频率不同的局域共振吸振单元组合叠加，实现覆盖各单元吸振频带的宽带吸振效果。这种装置的优点除了宽频吸振效果外，还包括附加质量小、不产生额外的振动峰、不依赖于局域共振吸振单元类型等。由于各吸振单元之间属于弱耦合作用，在吸振频带内每个单元局域共振的同时，不会引起其余单元的共振，即局域共振吸振单元之间是单独工作的，所以能对更宽频带范围内进行局域共振吸振单元设计，实现宽频吸振效果。综上，这种吸振装置与现有的局域共振吸振单元相比，吸振频带得到有效拓宽，可应用于各类装备的低频宽带吸振中。

Claims (6)

1.一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，其特征在于，由多个吸振频率不同的不同型号局域共振吸振元胞单元构成，每个单元能够吸收不同频率的振动，组合后的集成结构能够实现覆盖各单元吸振频带的协同耦合宽带吸振效果。

2.根据权利要求1所述的一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，其特征在于，局域共振吸振单元的类型选择同种类型但参数不同的吸振单元，或者选择不同类型的吸振单元进行组合。

3.根据权利要求1所述的一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，其特征在于，多个不同型号元胞单元之间是弱耦合的，即分隔框架具有足够高的局域化刚度，能够保证在吸振频带内每个单元的局域共振不会引起其余单元的共振。

4.根据权利要求1所述的一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，其特征在于，每个局域共振吸振单元具有单自由度，通过多个单自由度局域共振吸振单元的协同作用，实现多自由度协同耦合宽带吸振，实际吸振频带相当于是各单元吸振频带的叠加，使得吸振频带得到有效拓宽。

5.根据权利要求1所述的一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，其特征在于，局域共振吸振单元的吸振频率范围通过能带结构中的带隙频带确定。

6.根据权利要求5所述的一种多单元协同耦合低频宽带吸振装置，其特征在于，局域共振吸振单元能够通过相同极化模式的单元或不同极化模式的单元组合成集成结构，且能够吸收多种类型的振动。

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