[发明专利]一种多向局域共振模块及其减隔振超材料管状结构

说明书

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。

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。