本发明专利技术涉及一种振子单元以及基于它的非线性声学超材料元胞结构，属于机械工程、力学和超材料领域。本发明专利技术需要解决的技术问题是强非线性声学超材料设计以及结构的超低频超宽带减振问题。本发明专利技术应用多振子的物理耦合产生强非线性效应，构成了振子单元，并基于它设计了超材料元胞。该超材料元胞可以产生低频非线性局域共振带隙以及宽带的混沌带，应用不同共振的桥连耦合控制混沌带带宽。应用该元胞设计的强非线性声学超材料结构可以产生超低频超宽带振动抑制效果。
【技术实现步骤摘要】
振子单元以及基于它的非线性声学超材料元胞结构
本专利技术涉及一种振子单元、非线性声学超材料元胞及其非线性声学超材料结构，属于机械工程、力学、振动与噪声控制、非线性声学超材料结构领域。
技术介绍
结构振动和噪声在军事装备和民用机械中广泛存在。振动和噪声不仅会直接影响乘员舒适性，降低潜艇和直升机的声隐身性能，还会导致失控、结构疲劳破坏、断裂、爆炸解体等严重事故。设计具有振动抑制特性的材料和结构，并将其用于装备结构设计，对降低装备整体的振动和噪声具有重要意义。然而，传统的动力吸振与阻尼技术尚难以较好的解决装备中广泛面临的低频、宽带振动问题。振动与声波都以弹性波的形式传播。声学超材料是指具有弹性波亚波长调控特性的人工超常材料/结构，通常为周期结构。超材料的特性往往不取决于构成材料的属性，而是取决于人工微结构单元(即元胞)与弹性波之间的耦合特性。十几年来的研究表明，基于局域共振机理设计的声学超材料的带隙能高效抑制弹性波传播，为突破传统减振技术的瓶颈提供新的技术途径。目前对声学超材料的研究主要聚焦于线性声学超材料。然而，线性超材料设计理论无法协调解决轻质、低频与宽带弹性波抑制之间的矛盾。而且，有限尺寸的线性超材料频谱通带由密集的共振峰构成，元胞的数量越多，通带内的共振峰数量就越多。即，线性超材料的窄带弹性波禁带能衰减结构振动，但其较宽通带内的响应却被共振放大。非线性声学超材料是指具有非线性动力学效应的声学超材料。最新研究发现，有限地非线性声学超材料通带在强非线性下会变成混沌带，即在强非线性下周期性共振响应变成了幅值更低的混沌响应。且非线性强度越高，混沌响应抑制共振的效率就越高。混沌带具有超低频、超宽带的高效弹性波抑制特性，为装备实现超低频超宽带振动控制提供了新的途径与理论支撑。非线性声学超材料的特性很大程度上取决于元胞的设计。然而，宽带混沌带的产生与调控技术目前尚未开发；传统的弱非线性结构需要大位移激励才能产生强非线性混沌响应。
技术实现思路
本专利技术设计非线性双振子系统构成的非线性振子单元，两个振子之间通过振动-软碰撞耦合产生强非线性作用；通过控制振子之间的间隙值来等效非线性刚度系数；在单元中采用软薄包覆层提供缓冲降低碰撞噪声并通过阻尼吸能改善超材料的减振特性；通过调控振子的弯曲共振频率调节非线性局域共振带隙间的距离，从而控制混沌带的减振作用带宽。将振子单元安装在需要减振的基体结构(如梁、板、壳)上构成强非线性超材料元胞。通过元胞的周期性排列构建非线性声学超材料结构。一种振子单元，其特征在于，包括：基座、第一振子和第二振子，所述第一振子包括：第一杆体和第一振体，所述第一杆体的一端与所述基座相连接，另一端与所述第一振体同轴连接；所述第二振子包括：第二杆体和第二振体，所述第二杆体的一端与所述基座相连接，另一端与所述第二振体连接；所述第一振体内设有空腔，所述振子单元从所述基座输入振动，所述第二振体部分在所述空腔内振动；所述第二杆体与所述第一杆体同向且所述第一杆体和所述第一振体相互轴心线偏置。可选地，所述振子单元还包括包覆层，所述包覆层包覆于在所述空腔内振动的所述第二振体外表面上；所述包覆层的厚度为包裹部位半径的5～15％；所述包覆层的弹性模量小于所述第一振体。可选地，被所述包覆层包裹的所述第二振体部分与所述第一振体空腔内壁之间相互间隔地设有间隙δ0。可选地，所述第一振子的线性弯曲振动固有频率fA和所述第二振子的线性弯曲振动固有频率fB满足：fB≈(3～7)fA，控制所述固有频率fA与所述固有频率fB之间的频率距离形成桥连耦合。可选地，所述第一振体和/或所述第二振体为圆柱体、球体、长方体或棱柱体。可选地，所述第一振体为内部设有通腔的圆柱体，所述通腔沿所述圆柱体的轴向贯通所述圆柱体；所述第一杆体的一端与所述圆柱体的端部连接，另一端与所述基座连接；所述第二振体为球体，所述球体在所述通腔内振动；所述第二杆体的一端与所述球体连接，另一端与所述基座连接；所述球体分别与所述第二杆体和所述圆柱体同轴，且所述第二杆体与所述圆柱体轴心线偏置；所述球体的中心点与所述圆柱体的中心点重合；所述球体上设置有包覆层。可选地，所述第一振体内的空腔一端为敞口，所述敞口开设于所述第一振体远离所述第一杆体的端面上；所述第二振子包括：杆体、集中质量体和连接器，所述杆体的一端与所述基座相连接，另一端与所述集中质量体连接；所述连接器包括连接板和圆柱体，所述圆柱体垂直于所述连接板设置于所述连接板的一端；所述连接板的另一端安装在所述集中质量体的端部；所述圆柱体向所述第一振体延伸并容纳安装在所述第一振体的空腔内；所述包覆层设置在所述圆柱体上，且所述包覆层与所述第一振体的空腔内壁间设有间隙δ0。本专利技术的又一方面还提供了一种非线性声学超材料元胞，包括：基座和成对设置于所述基座两侧相对面上的所述振子单元，所述振子单元垂直所述基座设置；所述振子单元为如上述的振子单元；或包括：基座和多个如上述的振子单元，各所述振子单元的振动输入端分别垂直所述基座设置，各所述振子单元环绕所述基座设置。本专利技术的又一方面还提供了一种非线性声学超材料元胞，包括：待减振基体结构和至少一个如上述的振子单元，所述振子单元的振动输入端与所述待减振基体结构相连接。本专利技术的又一方面还提供了一种非线性声学超材料结构，包括：多个周期性排列的如上述的非线性声学超材料元胞。本专利技术的有益效果包括但不限于：本专利技术所提供的非线性声学超材料元胞，基于最新发现的混沌带机理，能在小附加质量的情形下高效抑制连续结构中的超低频和超宽带的振动响应，打破线性声学超材料的低频宽带限制。附图说明图1是本专利技术优选实施例1中非线性振子单元立体示意图。图2是本专利技术优选实施例1中非线性振子单元主视图与局部透视示意图。图3是图2中A-A向剖视示意图。图4是本专利技术优选实施例1中振动-接触碰撞产生的恢复力曲线示意图；图5是本专利技术优选实施例1中振子系统无非线性耦合情形下的4个弯曲模态示意图；(a)球体在平面xoz内的模态；(b)球体在xoy内的模态；(c)圆柱体在xoy内的模态；(d)圆柱体在xoz内的模态。图6是本专利技术优选实施例1中非线性超材料梁元胞结构示意图，其中(a)为第一种元胞结构示意图；(b)为第二种元胞结构示意图；(c)为第三种元胞结构示意图。图7是本专利技术优选实施例1中振子系统在非线性声学超材料壳体上的安装方式与测试方法，其中(a)为振子单元安装后所得非线性声学超材料结构俯视示意图；(b)为振子单元安装后所得非线性声学超材料结构立体示意图。图8是本专利技术优选实施例1中非线性声学超材料照片。图9是本专利技术优选实施例1中在如图7所示材料表面附加15个振子的超材料圆柱壳体A点的传递函数HA。图9中图例说明：H＝200和H＝50表示振子的安装位置；0.1v、3.0v和5.0v分别表示不同的激励水平，对于H＝50mm情形，激励在0-20Hz内的平均幅值分别为{0.1v,7.9482e-4mm},{3.0v,0.0270mm},{5.0v,0.0465mm}。图10是本专利技术优选实施例1中在如图7所示材料表面附加15个振子的超材料圆柱壳体A点与B点传递函数的和值HA+B，实验中3个激励水平在0-20Hz内的平均为{0.1V,8.77e-4mm}，{0.5V,4本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种振子单元，其特征在于，包括：基座、第一振子和第二振子，所述第一振子包括：第一杆体和第一振体，所述第一杆体的一端与所述基座相连接，另一端与所述第一振体同轴连接；所述第二振子包括：第二杆体和第二振体，所述第二杆体的一端与所述基座相连接，另一端与所述第二振体连接；所述第一振体内设有空腔，所述振子单元从所述基座输入振动，所述第二振体部分在所述空腔内振动；所述第二杆体与所述第一杆体同向且所述第一杆体和所述第一振体相互轴心线偏置。
【技术特征摘要】
1.一种振子单元，其特征在于，包括：基座、第一振子和第二振子，所述第一振子包括：第一杆体和第一振体，所述第一杆体的一端与所述基座相连接，另一端与所述第一振体同轴连接；所述第二振子包括：第二杆体和第二振体，所述第二杆体的一端与所述基座相连接，另一端与所述第二振体连接；所述第一振体内设有空腔，所述振子单元从所述基座输入振动，所述第二振体部分在所述空腔内振动；所述第二杆体与所述第一杆体同向且所述第一杆体和所述第一振体相互轴心线偏置。2.根据权利要求1所述的振子单元，其特征在于，所述振子单元还包括包覆层，所述包覆层包覆于在所述空腔内振动的所述第二振体外表面上；所述包覆层的厚度为包裹部位半径的5～15％；所述包覆层的弹性模量小于所述第一振体。3.根据权利要求2所述的振子单元，其特征在于，被所述包覆层包裹的所述第二振体部分与所述第一振体空腔内壁之间相互间隔地设有间隙δ0。4.根据权利要求1所述的振子单元，其特征在于，所述第一振子的线性弯曲振动固有频率fA和所述第二振子的线性弯曲振动固有频率fB满足：fB≈(3～7)fA，控制所述固有频率fA与所述固有频率fB之间的频率距离形成桥连耦合。5.根据权利要求1所述的振子单元，其特征在于，所述第一振体和/或所述第二振体为圆柱体、球体、长方体或棱柱体。6.根据权利要求1～5中任一项所述的振子单元，其特征在于，所述第一振体为内部设有通腔的圆柱体(11)，所述通腔沿所述圆柱体(11)的轴向贯通所述圆柱体(11)；所述第一杆体(12)的一端与所述圆柱体(11)的端部连接，另一端与所述基座(40)连接；所述第二振体为球体(21)，所述球体(21)在所述通腔内振动；所述第二杆体(22)的一端与所述球体(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：方鑫，温激鸿，郁殿龙，尹剑飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43
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