CN205282083U - 对机械波选择吸收的二维声学超材料 - Google Patents

Abstract

公开了一种对机械波选择吸收的二维声学超材料，包括：FRPP平板、橡胶薄膜、集中质量块和金属贴片。本实用新型采用两块FRPP平板夹持橡胶薄膜、并在FRPP平板每个开口处橡胶薄膜的中心设置集中质量块，通过有针对性地选择集中质量块可以对特定频率的机械波进行选择吸收；通过以磁性材料块作为集中质量块，将磁性材料块设置在橡胶薄膜一侧的中心、并在橡胶薄膜另一侧的中心设置金属贴片，能够将集中质量块固定在薄膜表面，避免由于黏贴带来的外部边界对橡胶薄膜性能的影响。根据本实用新型的二维声学超材料，能够吸收垂直方向的机械波，结构简单、设计性好、便于实现。

Description

对机械波选择吸收的二维声学超材料

技术领域

本实用新型涉及声学超材料技术领域，特别涉及一种对机械波选择吸收的二维声学超材料及其制备方法。

背景技术

以下对本实用新型的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本实用新型的现有技术。

声学超材料的概念最初是由Liu等人在研究局部共振声学材料时提出的，他们从理论、数值模拟以及实验等多个方面论述了具有负有效体积模量的声学超材料。Li和Chan应用Berryman提出的有效质量和有效密度的概念，得到了具有有效体积模量和有效质量密度同时为负的结论。所得到的负的质量密度意味着，如果在集中质量上的作用力的方向向左，那么得到的在集中质量上的加速度方向则向右。由于材料结构的特殊性，才在宏观上得到作用力的方向与集中质量上面产生的加速度的方向相反的结论。

目前对声学超材料大多集中一维杆结构的超材料，这些一维超材料中使用的胞元微结构通常由集中质量与理想弹簧构成。这种胞元微结构可以产生一个有效带隙，使某一个频率范围内的声波无法向前传播。在此研究基础上，本实用新型提出了一种新型的二维超材料平板，平板结构可以吸收与板方向垂直的机械波。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种对机械波选择吸收的二维声学超材料及其制备方法，根据本实用新型的二维声学超材料能够吸收垂直方向的机械波，且结构简单、设计性好、便于实现。

根据本实用新型的一个方面，提供一种对机械波选择吸收的二维声学超材料，包括：两块纤维增强聚丙烯两块纤维增强聚丙烯FRPP平板、橡胶薄膜、集中质量块和金属贴片；其中，

所述FRPP平板上设置有周期性排列的开口，两块所述FRPP平板之间夹持橡胶薄膜；

集中质量块和金属贴片设置在每个开口处的橡胶薄膜的中心，其中，集中质量块为磁性材料块、并设置在橡胶薄膜一侧的中心，金属贴片设置在橡胶薄膜另一侧的中心，所有的集中质量块位于所述FRPP平板的同一侧。

优选地，所述开口为方形开口，所述方形开口呈矩阵式排列，所述方形开口的尺寸为60mm×60mm，相邻两个所述开口之间的间距为25mm。

优选地，每个开口处的所述橡胶薄膜的等效刚度为：

$\stackrel{\‾}{K}={\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的所述橡胶薄膜的质量为：

m₁＝f(ρ，l，d，e)

式中，为每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度，单位为：N/m；ρ为橡胶薄膜的密度，单位为：kg/m³；E为橡胶薄膜的杨氏模量，单位为：N/m²；l为橡胶薄膜的长度，单位为：mm；d为橡胶薄膜的宽度，单位为：mm；e为橡胶薄膜的厚度，单位为：mm；m₁为每个开口处的橡胶薄膜的质量，单位为：kg。

优选地，每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量为：

$\stackrel{\‾}{M}=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的磁性材料块的质量为：

$m_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}-m_1-\mathrm{\ρ}lde$

式中，为每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量，单位为：kg；Ω为待吸收机械波的频率，单位为：Hz；m₂为每个开口处的磁性材料块的质量，单位为：kg。

优选地，所述FRPP平板的尺寸为380mm×380mm，每块所述FRPP平板上设置有16或20个方形开口。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种对机械波选择吸收的二维声学超材料的制备方法，包括：

S1、在纤维增强聚丙烯FRPP平板设置周期性排列的开口，利用两块所述FRPP平板夹持橡胶薄膜；

S2、在每个开口处的橡胶薄膜的一侧的中心设置磁性材料块，在每个开口处的橡胶薄膜的另一侧的中心设置金属贴片，并且所有的磁性材料块位于所述FRPP平板的同一侧。

优选地，所述开口为方形开口，所述方形开口呈矩阵式排列，所述方形开口的尺寸为60mm×60mm，相邻两个所述开口之间的间距为25mm。

优选地，步骤S2之前进一步包括：

根据橡胶薄膜的密度以及每个开口处橡胶薄膜的杨氏模量、长度、宽度和厚度确定每个开口处橡胶薄膜的质量和等效刚度；

其中，每个开口处的所述橡胶薄膜的等效刚度为：

$\stackrel{\‾}{K}={\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的所述橡胶薄膜的质量为：

m₁＝f(ρ，l，d，e)

式中，为每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度，单位为：N/m；ρ为橡胶薄膜的密度，单位为：kg/m³；E为橡胶薄膜的杨氏模量，单位为：N/m²；l为橡胶薄膜的长度，单位为：mm；d为橡胶薄膜的宽度，单位为：mm；e为橡胶薄膜的厚度，单位为：mm；m₁为每个开口处的橡胶薄膜的质量，单位为：kg。

优选地，步骤S2之前进一步包括：依据待吸收机械波的频率和橡胶薄膜的等效刚度，确定每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量；每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量为：

$\stackrel{\‾}{M}=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

步骤S2之前进一步包括：基于所述等效质量以及每个开口处橡胶薄膜的质量，确定每个开口处的磁性材料块的质量；每个开口处的磁性材料块的质量为：

$m_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}-m_1-\mathrm{\ρ}lde$

式中，为每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量，单位为：kg；Ω为待吸收机械波的频率，单位为：Hz；m₂为每个开口处的磁性材料块的质量，单位为：kg。

优选地，所述FRPP平板的尺寸为380mm×380mm，每块所述FRPP平板上设置有16或20个方形开口。

根据本实用新型的对机械波选择吸收的二维声学超材料，包括：FRPP平板、橡胶薄膜、集中质量块和金属贴片；其中，所述FRPP平板上设置有周期性排列的开口，两块FRPP平板之间夹持橡胶薄膜；集中质量块和金属贴片设置在每个开口处的橡胶薄膜的中心，其中，集中质量块为磁性材料块并设置在橡胶薄膜一侧的中心，金属贴片设置在橡胶薄膜另一侧的中心，所有的集中质量块位于FRPP平板的同一侧。本实用新型通过采用两块FRPP平板夹持橡胶薄膜、并在FRPP平板的每个开口处的橡胶薄膜的中心设置集中质量块，使声学超材料具有质量-弹簧微结构的声学振动模式与光学振动模式，通过有针对性地选择集中质量块可以实现对特定频率的机械波进行选择吸收；通过以磁性材料块作为集中质量块，将磁性材料块设置在橡胶薄膜一侧的中心、并在橡胶薄膜另一侧的中心设置金属贴片，能够将集中质量块固定在薄膜表面，避免由于黏贴带来的外部边界对橡胶薄膜性能的影响。根据本实用新型的二维声学超材料，能够吸收垂直方向的机械波，且结构简单、设计性好、便于实现。

本实用新型还提供了一种二维声学超材料的制备方法，该制备方法具有上述二维声学超材料的所有有益效果。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本实用新型的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是示出根据本实用新型的对机械波选择吸收的二维声学超材料的结构示意图；

图2是示出根据本实用新型的二维声学超材料的集中质量块与金属贴片剖视图；

图3是根据本实用新型的二维声学超材料的力学模型示意图；

图4是根据本实用新型优选实施例的二维声学超材料的扫频测试曲线；

图5是根据本实用新型优选实施例的二维声学超材料在67.5Hz的振型；

图6是根据本实用新型优选实施例的二维声学超材料在157.5Hz的振型。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。

参见图1、2，根据本实用新型的对机械波选择吸收的二维声学超材料包括：两块纤维增强聚丙烯FRPP平板1、橡胶薄膜2、集中质量块3和金属贴片4。FRPP平板上设置有周期性排列的开口，两块FRPP平板之间夹持橡胶薄膜；集中质量块和金属贴片设置在每个开口处的橡胶薄膜的中心，集中质量块设置在橡胶薄膜一侧的中心，金属贴片设置在橡胶薄膜另一侧的中心，所有的磁性材料块位于所述FRPP平板的同一侧。被两块FRPP平板1夹持的橡胶薄膜2可以等效于弹簧，通过调节两块FRPP板1之间的夹持方式，可以获得具有不同弹性系数的橡胶薄膜2。

FRPP平板1上设置有周期性排列的开口，开口的形状可以是圆形或多边，开口的排列方式也可以根据实际需要确定，方形开口的尺寸不同，每个方形开口处橡胶薄膜的弹性参数不同，根据本实用新型的优选实施例，开口为方形开口，方形开口呈矩阵式排列，方形开口的尺寸为60mm×60mm，相邻两个开口之间的间距为25mm。优选地，FRPP平板的尺寸为380mm×380mm，每块FRPP平板上设置有16或20个方形开口。

现有技术中，集中质量块多通过黏贴的方式固定在橡胶薄膜上。但是，采用这种固定方式的声学超材料，黏贴带来的外部边界会对橡胶薄膜的性能产生影响。为了解决这个问题，根据本实用新型的二维声学超材料，集中质量块为磁性材料块，通过将磁性材料块设置在橡胶薄膜一侧的中心、并在橡胶薄膜另一侧的中心设置金属贴片，能够将集中质量块固定在薄膜表面，避免由于黏贴带来的外部边界对橡胶薄膜性能的影响，结构简单、设计性好、便于实现。

本实用新型通过采用两块FRPP平板1夹持橡胶薄膜2、并在FRPP平板1的每个开口处的橡胶薄膜2的中心设置集中质量块3，使二维声学超材料具有质量-弹簧微结构的声学振动模式与光学振动模式，通过有针对性地选择集中质量块可以实现对特定频率的机械波进行选择吸收。图3示出了根据本实用新型的二维声学超材料的力学模型示意图。当质量-弹簧微结构受到谐振力F的激励作用时，其振动模式包括声学振动模式和光学振动模式，橡胶薄膜的位移为u₁，集中质量块的位移为u₂。在光学振动模式下，由于u₂的振动相位与u₁的振动相位相反，u₁的振动幅度会得到显著的抑制，就相当于橡胶薄膜在振动时受到了来自于集中质量块m₂的抑制力，导致橡胶薄膜的振动能量全部转移给集中质量块m₂，从而实现在光学振动模式下，对机械波的选择吸收。

根据本实用新型的优选实施例，每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度为：

$\stackrel{\‾}{K}={\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的橡胶薄膜的质量为：

m₁＝f(ρ，l，d，e)

式中，为每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度，单位为：N/m；ρ为橡胶薄膜的密度，单位为：kg/m³；E为橡胶薄膜的杨氏模量，单位为：N/m²；l为橡胶薄膜的长度，单位为：mm；d为橡胶薄膜的宽度，单位为：mm；e为橡胶薄膜的厚度，单位为：mm；m₁为每个开口处的橡胶薄膜的质量，单位为：kg。

确定了待吸收机械波的频率和橡胶薄膜的等效刚度和质量之后，即可确定每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量。根据本实用新型的优选实施例，待吸收的机械波的频率与上述提及的等效刚度和上述提及的等效质量之间满足关系式：其中，为每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量，单位为：kg；Ω为待吸收机械波的频率，单位为：Hz。根据该关系式可以确定每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量为：

$\stackrel{\‾}{M}=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的磁性材料块的质量为：

$m_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}-m_1-\mathrm{\ρ}lde$

式中，m₂为每个开口处的磁性材料块的质量，单位为：kg。

根据本实用新型的优选实施例，FRPP板上各个开口处的集中质量块可以相等，也可以不相等。比如，FRPP板上每一个开口处的集中质量块为m₂，对应的可吸收的机械波频率为Ω，则二维声学超材料可吸收的机械波的频率为Ω；FRPP板上最小的集中质量块为m₂′，对应的可吸收的机械波频率为Ω′，FRPP板上最大的集中质量块为m₂″，对应的可吸收的机械波频率为Ω″，则结构的二维声学超材料可吸收的机械波的频率范围为Ω′～Ω″。可见，为了扩大二维声学超材料可以吸收的机械波的频率范围，可以使FRPP板上各个开口处的集中质量块不相等。本实用新型中，通过有针对性地选取不同的集中质量块，即可实现对特定频率的垂直机械波进行选择性吸收。

根据本实用新型的二维声学超材料，其制备方法包括：

S1、在纤维增强聚丙烯FRPP平板设置周期性排列的开口，利用两块FRPP平板夹持橡胶薄膜；

S2、在每个开口处的橡胶薄膜的一侧的中心设置磁性材料块，在每个开口处的橡胶薄膜的另一侧的中心设置金属贴片，并且所有的磁性材料块位于FRPP平板的同一侧。

优选地，开口为方形开口，方形开口呈矩阵式排列，方形开口的尺寸为60mm×60mm，相邻两个开口之间的间距为25mm。

优选地，步骤S2之前进一步包括：

根据橡胶薄膜的密度以及每个开口处橡胶薄膜的杨氏模量、长度、宽度和厚度确定每个开口处橡胶薄膜的质量和等效刚度；

其中，每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度为：

$\stackrel{\‾}{K}={\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的橡胶薄膜的质量为：

m₁＝f(ρ，l，d，e)

式中，为每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度，单位为：N/m；ρ为橡胶薄膜的密度，单位为：kg/m³；E为橡胶薄膜的杨氏模量，单位为：N/m²；l为橡胶薄膜的长度，单位为：mm；d为橡胶薄膜的宽度，单位为：mm；e为橡胶薄膜的厚度，单位为：mm；m₁为每个开口处的橡胶薄膜的质量，单位为：kg。

优选地，步骤S2之前进一步包括：依据待吸收机械波的频率和橡胶薄膜的等效刚度，确定每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量；每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量为：

$\stackrel{\‾}{M}=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

步骤S2之前进一步包括：基于所述等效质量以及每个开口处橡胶薄膜的质量，确定每个开口处的磁性材料块的质量；每个开口处的磁性材料块的质量为：

$m_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}-m_1-\mathrm{\ρ}lde$

式中，为每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量，单位为：kg；Ω为待吸收机械波的频率，单位为：Hz；m₂为每个开口处的磁性材料块的质量，单位为：kg。

优选地，FRPP平板的尺寸为380mm×380mm，每块FRPP平板上设置有16或20个方形开口。

下面结合实施例及附图对本实用新型的二维声学超材料及其制备方法作进一步详细说明：

二维声学超材料是由FRPP平板、橡胶薄膜和磁性材料块组成，其中：FRPP平板长为380mm，宽为380mm，FRPP平板上加工阵列为4×4共计16个60mm×60mm的方形开口，每个开口间隔25mm；橡胶薄膜密度ρ＝980kg/m³，弹性模量E＝2×10⁵Pa，泊松比υ＝0.49；磁性材料块直径为6mm，质量为0.15g。两块FRPP平板中间夹持橡胶薄膜，在每个开口处的橡胶薄膜的一侧的中心设置磁性材料块，在每个开口处的橡胶薄膜的另一侧的中心设置金属贴片，并且所有的磁性材料块位于所述FRPP平板的同一侧，这样就制得了二维声学超材料。这种超材料的扫频测试曲线如图4所示，共发生两次共振，分别为频率67.5Hz和157.5Hz，在频率67.5Hz的振型如图5所示，在频率157.5Hz的振型如图6所示。

根据本实用新型的对机械波选择吸收的二维声学超材料及其制备方法，通过有针对性地选择集中质量块可以实现对特定频率的垂直方向的机械波进行选择吸收，且能够避免由于黏贴带来的外部边界对橡胶薄膜性能的影响，结构简单、设计性好、便于实现。

虽然参照示例性实施方式对本实用新型进行了描述，但是应当理解，本实用新型并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (5)

1.一种对机械波选择吸收的二维声学超材料，其特征在于包括：两块纤维增强聚丙烯FRPP平板、橡胶薄膜、集中质量块和金属贴片；其中，

所述FRPP平板上设置有周期性排列的开口，两块所述FRPP平板之间夹持橡胶薄膜；

集中质量块和金属贴片设置在每个开口处的橡胶薄膜的中心，其中，集中质量块为磁性材料块、并设置在橡胶薄膜一侧的中心，金属贴片设置在橡胶薄膜另一侧的中心，所有的集中质量块位于所述FRPP平板的同一侧。

2.如权利要求1所述的二维声学超材料，其中，所述开口为方形开口，所述方形开口呈矩阵式排列，所述方形开口的尺寸为60mm×60mm，相邻两个所述开口之间的间距为25mm。

3.如权利要求2所述的二维声学超材料，其中，每个开口处的所述橡胶薄膜的等效刚度为：

$\stackrel{\‾}{K}={\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的所述橡胶薄膜的质量为：

m₁＝f(ρ，l，d，e)

式中，K为每个开口处的橡胶薄膜的等效刚度，单位为：N/m；ρ为橡胶薄膜的密度，单位为：kg/m³；E为橡胶薄膜的杨氏模量，单位为：N/m²；l为橡胶薄膜的长度，单位为：mm；d为橡胶薄膜的宽度，单位为：mm；e为橡胶薄膜的厚度，单位为：mm；m₁为每个开口处的橡胶薄膜的质量，单位为：kg。

4.如权利要求3所述的二维声学超材料，其中，每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量为：

$\stackrel{\‾}{M}=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}$

每个开口处的磁性材料块的质量为：

$m_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}{\[1-{\left(\frac{1-3lde}{4}\right)}^{\frac{1}{3}}\]}^3\frac{4ld\mathrm{\ρ}}{(1+lde)E}-m_1-\mathrm{\ρ}lde$

式中，为每个开口处的磁性材料块和橡胶薄膜的等效质量，单位为：kg；Ω为待吸收机械波的频率，单位为：Hz；m₂为每个开口处的磁性材料块的质量，单位为：kg。

5.如权利要求1所述的二维声学超材料，其中，所述FRPP平板的尺寸为380mm×380mm，每块所述FRPP平板上设置有16或20个方形开口。