用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元的制作方法

本实用新型属于振动与噪声控制领域，涉及用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元。

背景技术：

声学超材料结构是指由特殊设计的人工声学微结构单元(如局域共振单元，简称振子单元或振子)周期嵌入在弹性结构内部或附加在其表面而构成的新型声学结构，能获得自然界材料不具有的超常物理特性(如负质量密度、负模量等)，可以实现对弹性波和声波的超常操控，使得其在众多领域都拥有十分可观的应用前景，如减振降噪、声学斗篷、声成像、声筛等方面。

人工声学微结构单元是构造声学超材料结构的基本单元，其直接影响着声学超材料结构超常物理特性的发挥。最具代表性的人工声学微结构单元是局域共振单元，其传统设计主要有弹簧质量振子、硬软材料块振子、薄膜集中质量振子、薄层悬臂梁式振子等。这些局域共振单元(简称振子单元或振子)有诸多优点，但也存在一些不足，例如：这些振子单元的整体刚度及阻尼性能通常由较软弹性元件/材料决定，致使其难以同时兼顾高刚度和高阻尼的性能，实际应用受限；此外，这些振子在外部载荷或负载作用下，其低频共振性能往往难以维持，且稳定性、可靠性和环境耐受性也随之降低，不利于实际应用；另外，这些振子在低频范围通常只存在一个特定频率的单一耦合作用共振模式，因此一般只能抑制一种特定低频的单一弹性波模式。另一方面，这些振子还存在抗外界干扰能力弱的不足，以飞机舱室减振降噪典型应用为例：这些振子一般直接贴敷安装于飞机舱壁上来减振降噪，其同舱壁的接触面较小，并且没有采取较好的防护措施，当外物触碰到振子时(如飞机舱壁内侧的保温材料层、装饰层等接触到振子)或者振子受到强烈激振时(飞机起飞、降落及穿越云层时的剧烈颠簸)，会直接影响到振子减振降噪性能的发挥，甚至致使振子脱落、导致振子减振降噪性能失效。这些缺陷和不足无疑限制了传统人工声学微结构单元在声学超材料结构构造中的应用。

本实用新型借鉴声学超材料结构的创新设计思想，将高刚度结构、高阻尼材料等综合运用到人工声学微结构单元的设计中，使振子同时具备高刚度和高阻尼的性能，且使其产生多种耦合作用共振模式，并且显著提升振子的防护能力，克服了传统人工声学微结构单元刚度-阻尼综合性能差、抗干扰和防护能力弱等缺陷，现有技术没有公开本实用新型中的用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述背景技术中存在的问题，提供用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元，该局域共振单元能同时兼顾高刚度和高阻尼的性能，在低频段能够产生多种耦合作用共振模式，同时还具有很强的防护功能，此外还可在不改变振子的结构形式、材料参数和振子内部元件间连接关系的情况下，仅通过改变振子安装及布置方式就能实现其低频共振频带拓宽的功能，克服了传统人工声学微结构单元刚度-阻尼综合性能差、抗干扰和防护能力弱、作用频带窄等缺陷。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元，所述局域共振单元包括振子弹性元件1、振子刚性元件2、振子弹性模块3、支撑与防护结构4、振子单元5。

所述振子弹性元件1与振子刚性元件2的一端紧固相连在一起，振子刚性元件2的另一端与振子弹性模块3紧固相连在一起，经连接后的振子弹性元件1、振子刚性元件2和振子弹性模块3一同紧密安置于支撑与防护结构4内，共同构成一个振子单元5。振子单元5能同时兼顾高刚度和高阻尼的性能，在低频段能够产生多种耦合作用共振模式，同时还具有很强的防护功能，此外，通过设计振子单元5或改变其安装状态或组合方式能有效拓宽其低频共振频带，克服了传统人工声学微结构单元刚度-阻尼综合性能差、抗干扰和防护能力弱、作用频带窄等缺陷。

进一步地，所述振子弹性元件1连接于振子刚性元件2一端的数量可以为一个、两个或多个，所述振子弹性模块3连接于振子刚性元件2另一端的数量可以为一个、两个或多个，振子弹性元件1和振子弹性模块3的数量可以相同、也可以不相同。

进一步地，所述振子弹性元件1、振子刚性元件2和振子弹性模块3的结构形式可为柱状、环状或组合形式，其截面形状可为三角形、圆形、圆环形、矩形；振子弹性元件1、振子弹性模块3与振子刚性元件2的连接接触部位可为振子弹性元件1、振子弹性模块3的端面或侧面。

进一步地，所述支撑与防护结构4起支撑和防护振子单元5的作用，可以采用全封闭式或半封闭式设置，其结构形式为柱壳形，优选圆柱壳或方棱柱壳，柱壳外围形状可为圆形、正方形、矩形、三角形、多边形，所述支撑与防护结构4的壳壁可为实心壁、穿孔壁或穿缝壁，支撑与防护结构4的壳壁局部可设置加强筋、加强肋及其组合的辅助结构。

进一步地，所述振子单元5为单振子形式，每个振子单元5沿三个正交方向都存在与之相应的低频共振模式，其能同时与基体结构中各个方向传播的纵波及横波模式发生耦合作用；进一步，通过设计振子单元5使振子单元5不同方向的共振频率不同，从而实现对不同频率下弹性波的有效抑制；振子单元5沿三个正交方向都存在一种安装状态(安装方向)，依次改变振子单元5的这三种安装状态，能使相应安装状态方向的低频共振模式依次与基体结构中的弹性波发生耦合作用，从而通过选取不同安装状态来实现对不同频率弹性波的抑制。

进一步，所述振子单元5可以是并联、串联或串并联的组合振子形式，构成组合振子的各个振子单元的参数可以相同或者不同，能够在不改变振子的结构形式、材料参数和振子内部元件间连接关系的情况下，仅通过调整组合振子的各种组合安装状态，显著拓宽振子单元5的低频共振频带。

进一步地，所述振子单元5的内部结构通过支撑与防护结构4同外界隔离和解耦，其本征特性不受外界的影响，具有很强的防护功能。

进一步地，所述振子单元5可周期性或非周期性贴敷于基体结构表面、或镶嵌于基体结构内部使用。

本实用新型具有如下技术效果：本实用新型用于构造声学超材料结构，提供用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元，该局域共振单元能同时兼顾了高刚度和高阻尼的性能，且在低频段产生了多种耦合作用共振模式，同时还具有很强的防护功能，此外可在不改变振子的结构形式、材料参数和振子内部元件间连接关系的情况下，仅通过调整组合振子的各种组合安装状态，显著拓宽振子单元的低频共振频带，克服了传统人工声学微结构单元刚度-阻尼综合性能差、抗干扰和防护能力弱、作用频带窄等缺陷。

附图说明

图1为本实用新型的用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元的示意图；

图2为本实用新型的振子弹性元件1、振子刚性元件2和振子弹性模块3的截面形状示意图；

图3为本实用新型的支撑与防护结构4的结构形式示意图；

图4为本实用新型的振子单元5的组合形式示意图；

图5为本实用新型的振子单元安装方向示意图；

图6为本实用新型的振子单元安装形式示意图；

图7为本实用新型的振动抑制效果图。

附图备注：1-振子弹性元件，2-振子刚性元件，3-振子弹性模块，4-支撑与防护结构，5-振子单元。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更为清晰，下面结合附图、示意性实施例及其说明对本实用新型做进一步地解释。

本实用新型的目的是为了解决上述背景技术中存在的问题，提供用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元，该局域共振单元能同时兼顾高刚度和高阻尼的性能，在低频段能够产生多种耦合作用共振模式，同时还具有很强的防护功能，此外能够在不改变振子的结构形式、材料参数和振子内部元件间连接关系的情况下，仅通过改变振子安装及布置方式就能实现其低频共振频带拓宽的功能，克服了传统人工声学微结构单元刚度-阻尼综合性能差、抗干扰和防护能力弱、作用频带窄等缺陷。

参阅图1，本实用新型提供了用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元，所述局域共振单元包括振子弹性元件1、振子刚性元件2、振子弹性模块3、支撑与防护结构4，振子单元5。

优选地，所述振子弹性元件1与振子刚性元件2的一端紧固相连在一起，振子刚性元件2的另一端与振子弹性模块3紧固相连在一起，经连接后的振子弹性元件1、振子刚性元件2和振子弹性模块3一同紧密安置于支撑与防护结构4内，共同构成一个振子单元5。振子单元5能同时兼顾高刚度和高阻尼的性能，在低频段能够产生多种耦合作用共振模式，同时还具有很强的防护功能，此外，通过设计振子单元5或改变其安装状态或组合方式能有效拓宽其低频共振频带，克服了传统人工声学微结构单元刚度-阻尼综合性能差、抗干扰和防护能力弱、作用频带窄等缺陷。

优选地，所述振子弹性元件1连接于振子刚性元件2一端的数量可以为一个、两个或多个，所述振子弹性模块3连接于振子刚性元件2另一端的数量可以为一个、两个或多个，振子弹性元件1和振子弹性模块3的数量可以相同、也可以不相同。

优选地，所述振子弹性元件1、振子刚性元件2和振子弹性模块3的结构形式可为柱状、环状或组合形式，其截面形状可为三角形、圆形、圆环形、矩形(参阅图2)；振子弹性元件1、振子弹性模块3与振子刚性元件2的连接接触部位可为振子弹性元件1、振子弹性模块3的端面或侧面。

优选地，所述支撑与防护结构4起支撑和防护振子单元5的作用，可以采用全封闭式或半封闭式设置，其结构形式为柱壳形，优选圆柱壳或方棱柱壳(参阅图3)，柱壳外围形状可为圆形、正方形、矩形、三角形、多边形，支撑与防护结构4的壳壁可为实心壁、穿孔壁或穿缝壁，支撑与防护结构4的壳壁局部可设置加强筋、加强肋及其组合的辅助结构。

优选地，所述振子单元5为单振子形式(参阅图4)，每个振子单元5沿三个正交方向都存在与之相应的低频共振模式，其能同时与基体结构中各个方向传播的纵波及横波模式发生耦合作用；进一步，通过设计振子单元5使振子单元5不同方向的共振频率不同，从而实现对不同频率下弹性波的有效抑制；振子单元5沿三个正交方向都存在一种安装状态(安装方向)，依次改变振子单元5的这三种安装状态(参阅图5)，能使相应安装状态方向的低频共振模式依次与基体结构中的弹性波发生耦合作用，从而通过选取不同安装状态来实现对不同频率弹性波的抑制。

优选地，所述振子单元5可以是并联、串联或串并联的组合振子形式(参阅图4)，构成组合振子的各个振子单元的参数可以相同或者不同，能够在不改变振子的结构形式、材料参数和振子内部元件间连接关系的情况下，仅通过调整组合振子的各种组合安装状态，显著拓宽振子单元5的低频共振频带。

优选地，所述振子单元5的内部结构通过支撑与防护结构4同外界隔离和解耦，其本征特性不受外界的影响，具有很强的防护功能。

优选地，所述振子单元5可周期性或非周期性贴敷于基体结构表面、或镶嵌于基体结构内部使用(参阅图6)。

以下结合具体实施例对本实用新型提供的用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元进行详细说明。

参阅图1，本实用新型提供了用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元，所述用于构造声学超材料结构的高刚度高阻尼局域共振单元包括振子弹性元件1、振子刚性元件2、振子弹性模块3、支撑与防护结构4，振子单元5。

所述振子弹性元件1与振子刚性元件2的一端紧固相连在一起，振子刚性元件2的另一端与振子弹性模块3紧固相连在一起，经连接后的振子弹性元件1、振子刚性元件2和振子弹性模块3一同紧密安置于支撑与防护结构4内，共同构成一个振子单元5。振子单元5能同时兼顾高刚度和高阻尼的性能，在低频段能够产生多种耦合作用共振模式，同时还具有很强的防护功能，此外，通过设计振子单元5或改变其安装状态或组合方式能有效拓宽其低频共振频带，克服了传统人工声学微结构单元刚度-阻尼综合性能差、抗干扰和防护能力弱、作用频带窄等缺陷。

实施例一：

局域共振单元采用单振子形式，振子弹性元件1和振子弹性模块3结构形式采用柱状，其截面形状为圆形，其直径和厚度尺寸为8mm×7.6mm；振子刚性元件2的结构形式采用柱状，其截面形状为圆形，其直径和厚度尺寸为27mm×5mm；支撑与防护结构4采用圆柱形壳，壳的外径尺寸和高度尺寸分别为32mm×20mm，壳的厚度尺寸为1mm；振子弹性元件1和振子弹性模块3采用硅橡胶制成，振子刚性元件2采用不锈钢制成，支撑与防护结构4采用pal制成，一个振子单元的总重量约30g。将上述局域共振单元周期性排布于一块长宽厚为850mm×850mm×2.5mm的加筋壁板上，构成超材料加筋壁板结构，排布的晶格尺寸为60mm，振子弹性元件1一轴向端面与振子刚性结构2连接，振子弹性模块3一轴向端面与振子刚性结构2连接，振子单元5固定安装面采用垂直于振子轴向的表面，连接方式采用胶结，加筋壁板采用铝材制成。

实施例二：

实施例二的振子单元5的参数和实施例一相同，振子单元5的固定安装面分别采用振子周向表面和垂直于振子轴向的表面。

本实用新型优选实施例一中结构的减振效果参照图7，可以看出，本实用新型的振子构造的超材料板结构产生了良好的抑制效果，在100hz-1000hz内的纵波振动平均衰减超过10db，其中在280hz-500hz内的纵波振动平均衰减超过20db。从本实用新型优选地实施例二中振子单元5的共振模态可以知道：当采用垂直于振子轴向的表面为固定安装面时，振子单元5在154hz处存在一个横波耦合共振，在341hz处存在两个相互垂直方向的纵波耦合共振；当采用振子周向表面为固定安装面时，振子在341hz处存在一个横波耦合共振，在154hz处存在两个相互垂直方向的纵波耦合共振，即通过调整振子的安装方向可以使使相应安装状态方向的低频共振模式依次与固定安装的表面结构中的弹性波发生耦合作用，从而可以通过选取不同安装状态来实现对不同频率弹性波的抑制。

以上所述，仅为本实用新型优选地具体实施方式之一，但本实用新型的保护范围并不局限于此。本领域相关技术人员基于或借鉴本实用新型思想轻易获得的各种变型或同等布置的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

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