CN114718974A - 一种多向局域共振模块及其减隔振超材料管状结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多向局域共振模块及其减隔振超材料管状结构，所述多向局域共振模块包括基体、多向局域共振体与衬套环，其中多向局域共振体包括三向刚度高可调弹性结构与质量体；所述减隔振超材料管状结构由若干多向局域共振模块组成。三向刚度高可调弹性体绕柱状质量体周向分布，并连接质量体与衬套环，多向局域共振模块通过衬套环按预定位置安装在梁类或管类基体结构上。本发明通过多向局域共振模块的参数设计与对多向局域共振模块的组合设计，能够实现实现低频、宽带、高效地抑制基于多向局域共振模块的梁类或管类结构中纵波以及弯曲波的传播，使其在目标频段具有很强的多维低频减隔振能力，且易于安装、方便加工。

Description

一种多向局域共振模块及其减隔振超材料管状结构

技术领域

本发明属于减振降噪新材料、新结构技术领域，具体涉及一种多向局域共振模块及其减隔振超材料管状结构，可应用于现代交通运载工具(船舶、飞机、高铁、新能源汽车)、功能建筑(桥梁、地铁候车厅、隧道)等。

背景技术

振动是在生产和生活中常见的一种现象，尤其是在机械工业以及其他工业部门都广泛存在着各种振动问题，这些振动它不仅影响到精密仪表设备的使用性能，还会引起结构噪声、破坏结构强度，恶化了操作人员的工作条件，严重的会造成机械结构的故障，减少机械结构的使用寿命。而在工程实践中，传统的减隔振技术存在诸多限制，已经无法满足人们日益多元化的减隔振需求。近年来，基于局域共振的超构材料研究表明，基于局域共振的超构材料可用于控制弹性波的传播，在新型声学器件、减振降噪领域具有广阔的应用前景。

在很多情况下，振动是多维的，不仅有弯曲振动还有纵向振动。多维振动在很多情况下对人员或设备都会产生不良影响，造成各种不同的损害，如机械手臂的多维振动影响机械手臂运动轨迹的精度，机床的多维振动影响零件的加工精度等。空心梁类或管类结构在建筑、桥梁、机械设备等工程中十分常见，但是其多维减隔振多是利用弹簧、橡胶等传统元器件进行组合设计，存在着结构设计复杂、低频带宽过窄、成本高昂等问题。

近年来，声物理学和凝聚态物理学领域提出和发展的超材料结构为解决工程中常见结构的振动问题提供了新思路。超材料结构是指由特殊设计的人工微结构单元(如局域共振单元，简称振子单元或振子)按一定方式附加于基体结构而构成的新型复合结构，能获得传统材料/结构不具有的超常物理特性(如负等效质量密度、负等效模量等)，可以实现对中低频弹性波的超常操控，使得其在中低频减振降噪领域有广阔应用价值。

发明内容

基于超材料结构思想和传统空心梁类或管类结构减隔振的不足，本发明提供一种多向局域共振模块及其减隔振超材料管状结构。其中多向局域共振模块中的三向高可调弹性结构和质量体可以等效为弹簧质量振子，衬套环起到连接固定作用，根据不同减隔振目标对模块参数进行设计，可以实现多维减隔振，并且通过多向局域共振模块的组合排列可以实现低频、宽带、高效的减隔振，为基于局域共振效应的梁类或管类结构实现多维隔振提供了思路。

为实现上述目的，本发明提供一种多向局域共振模块，包括基体、多向局域共振体与衬套环，所述多向局域共振体包括质量体与三向刚度高可调弹性结构，所述多向局域共振体通过内嵌或者外套的形式固定在所述基体上；

当所述多向局域共振体通过内嵌的形式固定在所述基体上时：

所述基体为空心梁状或管状结构，所述质量体为柱状结构；

所述三向刚度高可调弹性结构的一端连接在所述质量体的外壁上，所述衬套环间隔套设在所述质量体上，且所述衬套环的内环壁面与所述三向刚度高可调弹性结构的另一端相连，所述衬套环的外环壁面与所述基体的内壁固定相连；

当所述多向局域共振体通过外套的形式固定在所述基体上时：

所述基体为柱状结构，所述质量体为空心柱状结构；

所述三向刚度高可调弹性结构的一端连接在所述质量体的内壁上，所述质量体间隔套设在所述衬套环上，且所述衬套环的外环壁面与所述三向刚度高可调弹性结构的另一端相连，所述衬套环的内环壁面与所述基体的外壁固定相连。

在其中一个实施例，所述三向刚度高可调弹性结构包括若干柱状体结构的三向刚度高可调弹性体，各所述三向刚度高可调弹性体的一端沿所述质量体的周向间隔分布在所述质量体的外壁或内壁上；

各所述三向刚度高可调弹性体的一端与同一所述衬套环的内环壁面或外环壁面相连。

在其中一个实施例，所述三向刚度高可调弹性体的截面形状为圆形、圆环形、方形、矩形或多边形，进而可以通过设计不同截面形状参数改变所述三向刚度高可调弹性结构在不同自由度上振动的等效刚度。

在其中一个实施例，所述三向刚度高可调弹性体的长度方向与所述质量体的轴向之间呈夹具A，其中，0°<A≤90°，进而可以通过调整A的大小可改变其在不同自由度上振动的等效刚度。

在其中一个实施例，所述三向刚度高可调弹性体为局部镂空的柱状体结构和/或变截面的柱状体结构和/或折弯的柱状体结构。

在其中一个实施例，所述三向刚度高可调弹性结构为套设在所述质量体外壁上的环状结构，或所述三向刚度高可调弹性结构为内嵌在所述质量体内壁上的环状结构。

在其中一个实施例，所述三向刚度高可调弹性结构的数量为多个，各所述三向刚度高可调弹性结构沿所述质量体的轴向间隔分布在所述质量体上；

所述衬套环与所述三向刚度高可调弹性结构一一对应，且所述衬套环连接在所述基体与对应所述三向刚度高可调弹性结构之间。

在其中一个实施例，所述衬套环与所述基体之间为过盈配合。

在其中一个实施例，所述衬套环与所述基体之间通过销轴固定相连。

在其中一个实施例，所述基体、所述三向高可调弹性结构、所述质量体、所述衬套环的材料参数相同或不同。

为实现上述目的，本发明还提供一种减隔振超材料管状结构，包括两个以上多向局域共振模块，各所述多向局域共振模块按预定方式排列，排列方式不同会产生不同的带隙效应，通过设计可在目标频段产生宽频减隔振效应。

在其中一个实施例，各所述多向局域共振模块中基体、多向局域共振体的参数相同或不同。通过设计柱状质量体元件参数和三向高可调弹性体参数，可以使其等效的弹簧质量振子具有不同的局域共振频率，从而产生不同的局域共振效应；通过改变基体参数，可以实现不同的减隔振效果。

本发明提供的一种多向局域共振模块及其减隔振超材料管状结构，通过多向局域共振模块的参数设计与对多向局域共振模块的组合设计，能够实现实现低频、宽带、高效的多维减隔振，并能高效抑制基于多向局域共振模块的梁类或管类结构中纵波以及弯曲波的传播，使其在目标频段具有很强的多维低频减隔振能力。为梁类或管类结构的多维隔振提供了思路，且易于安装，结构简单，克服了传统梁类或管类结构在多维减隔振中结构设计复杂、低频带宽过窄、成本高昂等问题

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1中多向局域共振模块的轴测图；

图2为实施例1中多向局域共振模块的剖视图；

图3为实施例1中多向局域共振体与衬套环的爆炸示意图；

图4为实施例1中多向局域共振体的第一种实施方式中第一种实施结构示意图；

图5为实施例1中多向局域共振体的第一种实施方式中第二种实施结构示意图；

图6为实施例1中多向局域共振体的第一种实施方式中第三种实施结构示意图；

图7为实施例1中多向局域共振体的第二种实施方式的轴测图；

图8为实施例1中多向局域共振体的第二种实施方式的剖视图；

图9为实施例1中衬套环与基体过盈配合的示意图；

图10为实施例1中衬套环与基体销轴配合的示意图；

图11为实施例2中多向局域共振模块的轴测图；

图12为实施例2中多向局域共振模块的剖视图；

图13为实施例2中多向局域共振体的第一种实施方式中第一种实施结构的轴测图；

图14为实施例2中多向局域共振体的第一种实施方式中第一种实施结构的剖视图；

图15为实施例2中多向局域共振体的第一种实施方式中第二种实施结构的轴测图；

图16为实施例2中多向局域共振体的第一种实施方式中第二种实施结构的剖视图；

图17为实施例2中多向局域共振体的第一种实施方式中第三种实施结构的轴测图；

图18为实施例2中多向局域共振体的第一种实施方式中第三种实施结构的剖视图；

图19为实施例2中多向局域共振体的第二种实施方式的轴测图；

图20为实施例2中多向局域共振体的第二种实施方式的剖视图；

图21为实施例2中衬套环与基体过盈配合的示意图；

图22为实施例3中减隔振超材料管状结构的整体结构剖视图。

附图标号：基体1、多向局域共振体2、衬套环3、三向刚度高可调弹性结构4、质量体5、销轴6。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图1-3所示为本实施例公开的一种多向局域共振模块，其包括基体1、多向局域共振体2与衬套环3，其中，多向局域共振体2包括质量体5与三向刚度高可调弹性结构4，多向局域共振体2通过内嵌的形式固定在基体1上。

本实施例中，基体1为空心梁状或管状结构，质量体5为柱状结构。三向刚度高可调弹性结构4的一端连接在质量体5的外壁上，衬套环3间隔套设在质量体5上，且衬套环3的内环壁面与三向刚度高可调弹性结构4的另一端相连，衬套环3的外环壁面与基体1的内壁固定相连。

作为三向刚度高可调弹性结构4的第一种实施方式，参考图4-6，三向刚度高可调弹性结构4包括若干柱状体结构的三向刚度高可调弹性体，各三向刚度高可调弹性体的一端沿质量体5的周向间隔分布在质量体5的外壁上，各三向刚度高可调弹性体的一端与同一衬套环3的内环壁面相连。

优选地，三向刚度高可调弹性体的长度方向与质量体5的轴向之间呈夹具A，其中，0°<A≤90°，进而可以通过调整A的大小来改变三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

进一步优选地，三向刚度高可调弹性体的截面形状为圆形、圆环形、方形、矩形或多边形，同一三向刚度高可调弹性结构4中各个三向刚度高可调弹性体的截面可以相同或不相同，如图4所示的即为全部为圆形截面的三向刚度高可调弹性体，图5所示的即为全部为四边形截面的三向刚度高可调弹性体，图6所示的即为圆形截面、四边形截面混合的三向刚度高可调弹性体。进而可以通过设计不同截面形状参数来改变三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

再进一步优选地，三向刚度高可调弹性体为局部镂空的柱状体结构和/或变截面的柱状体结构和/或折弯的柱状体结构，即每一个三向刚度高可调弹性体都可以具有局部镂空、变截面、折弯三种变化中的0-3种变化，进而拓展三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

作为三向刚度高可调弹性结构4的第二种实施方式，参考图7-8，三向刚度高可调弹性结构4为套设在质量体5外壁上的环状结构，具体可为圆环台结构，其母线与质量体5的轴向之间呈夹具A，其中，0°<A≤90°，进而可以通过调整A的大小来改变三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

作为优选地实施方式，三向刚度高可调弹性结构4的数量为多个，各三向刚度高可调弹性结构4沿质量体5的轴向间隔分布在质量体5的外壁上。衬套环3与三向刚度高可调弹性结构4一一对应，且衬套环3连接在基体1与对应三向刚度高可调弹性结构4之间。

本实施例中，衬套环3与基体1之间为过盈配合，参考图9，衬套环3的外环壁面为一个具有夹角θ的倾斜壁面，基体1的内壁则为水平壁面，当衬套环3嵌入基体1后即能实现衬套环3与基体1之间的过盈配合。当然，衬套环3与基体1之间也可以选择通过销轴6固定相连，即图10所示；或同时采用销轴+过盈配合两种固定方式。

在具体实施过程中，基体1、三向高可调弹性结构、质量体5、衬套环3的材料参数既可以相同也可以不同。

实施例2

如图11-12所示为本实施例公开的一种多向局域共振模块，其包括基体1、多向局域共振体2与衬套环3，其中，多向局域共振体2包括质量体5与三向刚度高可调弹性结构4，多向局域共振体2通过外套的形式固定在基体1上。

本实施例中，基体1为实心或空心的柱状结构，质量体5为空心柱状结构。三向刚度高可调弹性结构4的一端连接在质量体5的内壁上，质量体5间隔套设在衬套环3上，且衬套环3的外环壁面与三向刚度高可调弹性结构4的另一端相连，衬套环3的内环壁面与基体1的外壁固定相连。

作为三向刚度高可调弹性结构4的第一种实施方式，三向刚度高可调弹性结构4包括若干柱状体结构的三向刚度高可调弹性体，各三向刚度高可调弹性体的一端沿质量体5的周向间隔分布在质量体5的内壁上，各三向刚度高可调弹性体的另一端与同一衬套环3的外环壁面相连。

优选地，三向刚度高可调弹性体的长度方向与质量体5的轴向之间呈夹具A，其中，0°<A≤90°，进而可以通过调整A的大小来改变三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

进一步优选地，三向刚度高可调弹性体的截面形状为圆形、圆环形、方形、矩形或多边形，同一三向刚度高可调弹性结构4中各个三向刚度高可调弹性体的截面可以相同或不相同，如图13-14所示的即为全部为圆形截面的三向刚度高可调弹性体，图15-16所示的即为全部为四边形截面的三向刚度高可调弹性体，图17-18所示的即为圆形截面、四边形截面混合的三向刚度高可调弹性体。进而可以通过设计不同截面形状参数来改变三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

再进一步优选地，三向刚度高可调弹性体为局部镂空的柱状体结构和/或变截面的柱状体结构和/或折弯的柱状体结构，即每一个三向刚度高可调弹性体都可以具有局部镂空、变截面、折弯三种变化中的0-3种变化，进而拓展三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

作为三向刚度高可调弹性结构4的第二种实施方式，参考图19-20，三向刚度高可调弹性结构4为固定嵌入质量体5内壁的环状结构，具体可为圆环台结构，其母线与质量体5的轴向之间呈夹具A，其中，0°<A≤90°，进而可以通过调整A的大小来改变三向刚度高可调弹性结构4在不同自由度上振动的等效刚度。

作为优选地实施方式，三向刚度高可调弹性结构4的数量为多个，各三向刚度高可调弹性结构4沿质量体5的轴向间隔分布在质量体5的内壁上。衬套环3与三向刚度高可调弹性结构4一一对应，且衬套环3连接在基体1与对应三向刚度高可调弹性结构4之间。

本实施例中，衬套环3与基体1之间为过盈配合，参考图21，衬套环3的外环壁面为一个具有夹角θ的倾斜壁面，基体1的内壁则为水平壁面，当衬套环3嵌入基体1后即能实现衬套环3与基体1之间的过盈配合。当然，衬套环3与基体1之间也可以选择通过销轴固定相连，或同时采用销轴+过盈配合两种固定方式。

在具体实施过程中，基体1、三向高可调弹性结构、质量体5、衬套环3的材料参数既可以相同也可以不同。

实施例3

如图22所示为本实施例公开了一种减隔振超材料管状结构，包括两个以上实施例1和/或实施例2中的多向局域共振模块，各多向局域共振模块按预定方式排列。其中，各多向局域共振模块中基体1、多向局域共振体2的参数相同或不同。在本实施例中，各多向局域共振模块中的基体依次相连或一体成型。

在本实施例中，多向局域共振模块中的基体1、多向局域共振体22均采用树脂材料3D打印技术成型，基体1为空心管结构，长为334mm，壁厚5mm，质量体5为倾斜角34.5°的斜四棱柱，数量为16，采用三个相同参数的多向局域共振模块排列成管类结构，在结构一端施加纵向位移激励及横向位移激励。振动位移响应计算结果显示相比于无附加局域共振体的光管，在1500～3000Hz的较宽中低频范围内，设计的基于多向局域共振模块的管结构无论是纵向激励还是横向激励其振动位移响应均降低了20dB以上。

结果表明：本实施例中的一种减隔振超材料管状结构，在目标中低频段具有卓越的多维减隔振能力，并且可以通过局域共振模块参数设计、若干局域共振模块组合设计实现其中低频共振频带拓宽的功能。

需要注意的是，在上述实施例1-3中公开的所有特征，或公开的所有方法，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。本说明书中提到的嵌入、外套只是多向局域共振体2相对于基体1结构空间位置的描述，具体安装方式可依据实际情况选择，例如揳入、焊接等，本实施例提出的利用衬套环3连接只是其中一种优选的安装方式。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种多向局域共振模块，其特征在于，包括基体、多向局域共振体与衬套环，所述多向局域共振体包括质量体与三向刚度高可调弹性结构，所述多向局域共振体通过内嵌或者外套的形式固定在所述基体上；

当所述多向局域共振体通过内嵌的形式固定在所述基体上时：

所述基体为空心梁状或管状结构，所述质量体为柱状结构；

所述三向刚度高可调弹性结构的一端连接在所述质量体的外壁上，所述衬套环间隔套设在所述质量体上，且所述衬套环的内环壁面与所述三向刚度高可调弹性结构的另一端相连，所述衬套环的外环壁面与所述基体的内壁固定相连；

当所述多向局域共振体通过外套的形式固定在所述基体上时：

所述基体为柱状结构，所述质量体为空心柱状结构；

所述三向刚度高可调弹性结构的一端连接在所述质量体的内壁上，所述质量体间隔套设在所述衬套环上，且所述衬套环的外环壁面与所述三向刚度高可调弹性结构的另一端相连，所述衬套环的内环壁面与所述基体的外壁固定相连。

2.根据权利要求1所述多向局域共振模块，其特征在于，所述三向刚度高可调弹性结构包括若干柱状体结构的三向刚度高可调弹性体，各所述三向刚度高可调弹性体的一端沿所述质量体的周向间隔分布在所述质量体的外壁或内壁上；

各所述三向刚度高可调弹性体的一端与同一所述衬套环的内环壁面或外环壁面相连。

3.根据权利要求2所述多向局域共振模块，其特征在于，所述三向刚度高可调弹性体的截面形状为圆形、圆环形、方形、矩形或多边形，进而可以通过设计不同截面形状参数改变所述三向刚度高可调弹性结构在不同自由度上振动的等效刚度。

4.根据权利要求2所述多向局域共振模块，其特征在于，所述三向刚度高可调弹性体的长度方向与所述质量体的轴向之间呈夹具A，其中，0°<A≤90°，进而可以通过调整A的大小可改变其在不同自由度上振动的等效刚度。

5.根据权利要求2所述多向局域共振模块，其特征在于，所述三向刚度高可调弹性体为局部镂空的柱状体结构和/或变截面的柱状体结构和/或折弯的柱状体结构。

6.根据权利要求1所述多向局域共振模块，其特征在于，所述三向刚度高可调弹性结构为套设在所述质量体外壁上的环状结构，或所述三向刚度高可调弹性结构为内嵌在所述质量体内壁上的环状结构。

7.根据权利要求1至6任一项所述多向局域共振模块，其特征在于，所述三向刚度高可调弹性结构的数量为多个，各所述三向刚度高可调弹性结构沿所述质量体的轴向间隔分布在所述质量体上；

所述衬套环与所述三向刚度高可调弹性结构一一对应，且所述衬套环连接在所述基体与对应所述三向刚度高可调弹性结构之间。

8.根据权利要求1至6任一项所述多向局域共振模块，其特征在于，所述衬套环与所述基体之间为过盈配合。

9.根据权利要求1至6任一项所述多向局域共振模块，其特征在于，所述衬套环与所述基体之间通过销轴固定相连。

10.根据权利要求1至6任一项所述多向局域共振模块，其特征在于，所述基体、所述三向高可调弹性结构、所述质量体、所述衬套环的材料参数相同或不同。

11.一种减隔振超材料管状结构，其特征在于，包括两个以上权利要求1至10任一项所述多向局域共振模块，各所述多向局域共振模块按预定方式排列。

12.根据权利要求11所述减隔振超材料管状结构，其特征在于，各所述多向局域共振模块中基体、多向局域共振体的参数相同或不同。

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