一种开关式超材料元胞及其声学超结构发明专利

专利名称：一种开关式超材料元胞及其声学超结构

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210048493.0

专利申请（专利权）人：中国人民解放军国防科技大学
权利人地址：湖南省长沙市开福区德雅路109号

专利发明（设计）人：胡洋华,郁殿龙,肖勇,温激鸿,尹剑飞,方鑫,李涛

专利摘要：本发明公开了一种开关式超材料元胞及其声学超结构。开关式超材料元胞包括支撑部、腔体部、颗粒部和调控部，腔体部设于支撑部上，颗粒部设于腔体部内，调控部可上下移动的设于腔体部的上端；在调控部的下端与颗粒部接触时，调控部用于约束颗粒部的运动自由度，非线性特性处于关闭状态，在调控部的下端与颗粒部之间设有间隙时，调控部用于释放颗粒部的运动自由度，非线性特性处于打开状态。本发明在不需要依靠大变形和大的载荷激励的条件下，轻松激发出了超材料元胞的非线性特性，提高了超材料元胞非线性特性的稳定性和可靠性，克服了超材料元胞线性和非线性阶段无法精确转换的不足，具有结构简单、绿色环保、成本低廉的优点。

主权利要求：
1.一种开关式超材料元胞，其特征在于，包括支撑部、腔体部、颗粒部和调控部，所述腔体部设于所述支撑部上，所述颗粒部设于所述腔体部内，所述调控部可上下移动的设于所述腔体部的上端；在所述调控部的下端与所述颗粒部接触时，所述调控部用于约束所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于关闭状态，在所述调控部的下端与所述颗粒部之间设有间隙时，所述调控部用于释放所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于打开状态；
所述颗粒部与所述腔体部的内壁之间设有间隙，所述颗粒部的数量至少为一个，且相邻的所述颗粒部之间均设有间隙或相接触；
所述调控部包括手柄，与所述手柄连接的压块，所述压块位于所述腔体部内，以及通过所述手柄驱动所述压块沿腔体部上下移动的升降结构，在所述压块与所述颗粒部接触时，所述调控部用于约束所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于关闭状态，在所述压块与所述颗粒部之间设有间隙时，所述调控部用于释放所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于打开状态。
2.根据权利要求1所述的开关式超材料元胞，其特征在于，所述升降结构包括设于所述腔体部内侧壁带的内螺纹，以及设于所述压块的外螺纹，所述压块通过外螺纹与所述腔体部的内螺纹相配合，所述手柄沿所述腔体部内侧壁的切向设置。
3.根据权利要求1所述的开关式超材料元胞，其特征在于，所述升降结构包括设于所述腔体部侧壁的滑槽，所述手柄垂直于所述腔体部的内侧壁方向且穿过所述滑槽后与所述压块连接，所述手柄的外端设有凸台。
4.根据权利要求1所述的开关式超材料元胞，其特征在于，所述支撑部为实心弹性柱体、空心弹性柱体或弹簧。
5.根据权利要求1所述的开关式超材料元胞，其特征在于，所述支撑部的材料为钢制、铝制、橡胶、碳纤维、聚氨酯、尼龙或石棉，所述颗粒部的材料为钢制、铜制、石制、塑料或硅橡，所述腔体部的材料为铁制、钢制、铝制、铜制或塑料。
6.一种声学超结构，其特征在于，包括基本部和权利要求1‑5任意一项所述的开关式超材料元胞，所述开关式超材料元胞设于所述基本部上或嵌入所述基本部内。
7.根据权利要求6所述的声学超结构，其特征在于，所述开关式超材料元胞至少为两个，多个开关式超材料元胞按照预定排布方式连接于所述基本部上或按照预定方式镶嵌于所述基本部内。
8.根据权利要求6所述的声学超结构，其特征在于，所述基本部为均质梁/板结构、加筋梁/板结构、夹层梁/板结构、碳纤维复合材料梁/板结构或多层复合梁/板结构。 说明书 : 一种开关式超材料元胞及其声学超结构技术领域[0001] 本发明属于高新装备(飞机、轨道列车、大型船舶、智能汽车、新型输变系统、静音空调等)，功能建筑(风洞、高速公路、桥梁/隧道、乘候车厅/馆、会议场馆、录音/演播厅、消声室等)减振降噪新材料、新技术领域，更具体地说，特别涉及一种开关式超材料元胞及其声学超结构。背景技术[0002] 声学超材料结构是指由特殊设计的人工声学微结构单元/元胞(如局域共振结构单元、微振子单元，或简称振子)按预定方式排列在弹性介质中构成的新型声学材料或结构，能获得自然界材料不具有的超常物理特性(如负质量密度、负折射、负模量)，可以实现对弹性波和声波的超常操控，使得其在许多领域都具有非常重要的应用价值，如声学斗篷、隔振/抗冲、减振降噪、声成像、声筛等方面。[0003] 人工声学微结构单元是构造声学超材料的基本单元，其直接影响着声学超材料超常物理性能的发挥。传统设计的人工声学微结构单元主要有硬软材料块振子、薄膜集中质量振子、螺旋迷宫振子、双悬臂梁振子、双稳态屈曲结构等。从理论上讲，这些人工声学微结构单元都存在线性和非线性两个阶段，当结构工作于线性阶段时产生线性特性，此时结构称为线性结构；当结构工作于非线性阶段时产生非线性特性，此时结构又称为非线性结构；但实际上这些微结构单元绝大部分情况都工作在线性阶段，它们的固有结构决定了其通常只产生线性特性，若想产生非线性特性需要依靠大变形或者大的载荷激励，受外界依赖程度较高，从而使得它们的非线性特性很难稳定调控，并且这些微结构单元无法实现线性和非线性两个阶段间的精确转换，这些无疑限制了传统人工声学微结构单元的工业应用。发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种开关式超材料元胞及其声学超结构，以克服现有技术所存在的缺陷。[0005] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：[0006] 一种开关式超材料元胞，包括支撑部、腔体部、颗粒部和调控部，所述腔体部设于所述支撑部上，所述颗粒部设于所述腔体部内，所述调控部可上下移动的设于所述腔体部的上端；在所述调控部的下端与所述颗粒部接触时，所述调控部用于约束所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于关闭状态，在所述调控部的下端与所述颗粒部之间设有间隙时，所述调控部用于释放所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于打开状态。[0007] 进一步地，所述颗粒部与所述腔体部的内壁之间设有间隙，所述颗粒部的数量至少为一个，且相邻的所述颗粒部之间均设有间隙或相接触。[0008] 进一步地，所述调控部包括手柄，与所述手柄连接的压块，所述压块位于所述腔体部内，以及通过所述手柄驱动所述压块沿腔体部上下移动的升降结构，在所述压块与所述颗粒部接触时，所述调控部用于约束所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于关闭状态，在所述压块与所述颗粒部之间设有间隙时，所述调控部用于释放所述颗粒部的运动自由度，所述开关式超材料元胞的非线性特性处于打开状态。[0009] 进一步地，所述升降结构包括设于所述腔体部内侧壁带的内螺纹，以及设于所述压块的外螺纹，所述压块通过外螺纹与所述腔体部的内螺纹相配合，所述手柄沿所述腔体部内侧壁的切向设置。[0010] 进一步地，所述升降结构包括设于所述腔体部侧壁的滑槽，所述手柄垂直于所述腔体部的内侧壁方向且穿过所述滑槽后与所述压块连接，所述手柄的外端设有凸台。[0011] 进一步地，所述支撑部为实心弹性柱体、空心弹性柱体或弹簧。[0012] 进一步地，所述支撑部的材料为钢制、铝制、橡胶、炭纤维、聚氨酯、尼龙或石棉，所述颗粒部的材料为钢制、铜制、石制、塑料或硅橡，所述腔体部的材料为铁制、钢制、铝制、铜制或塑料。[0013] 本发明还提供一种声学超结构，包括基本部和上述的开关式超材料元胞，所述开关式超材料元胞设于所述基本部上或嵌入所述基本部内。[0014] 进一步地，所述开关式超材料元胞至少为两个，多个开关式超材料元胞按照预定排布方式连接于所述基体部上或按照预定方式镶嵌于所述基体部内。[0015] 进一步地，所述基本部为均质梁/板结构、加筋梁/板结构、夹层梁/板结构、碳纤维复合材料梁/板结构或多层复合梁/板结构。[0016] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的腔体部一方面充当超材料元胞在线性阶段的主质量作用，另一方面用于包围颗粒部并充当超材料元胞在非线性阶段的被冲击体作用；颗粒部一方面充当超材料元胞在线性阶段的次质量作用，另一方面充当超材料元胞在非线性阶段的主冲击体作用；支撑部一方面支撑腔体部、颗粒部和调控部并充当超材料元胞在线性阶段的主刚度作用，另一方面充当载荷输入通道作用；调控部主要通过调整其与颗粒部之间的间隙来调整颗粒部的运动自由度，实现对颗粒部运动自由度的约束和释放，从而起到打开或关闭超材料元胞非线性特性的作用，实现了对超材料元胞线性阶段和非线性阶段的精确转换。本发明在不需要依靠大变形和大的载荷激励的条件下，轻松激发出了超材料元胞的非线性特性，大幅提高了超材料元胞非线性特性的稳定性和可靠性，并克服了超材料元胞线性和非线性阶段无法精确转换的不足，同时还具有结构简单、绿色环保、成本低廉的优点。附图说明[0017] 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获得其他的附图。[0018] 图1中a是螺旋调控超材料元胞示意图，b是滑槽调控超材料元胞示意图。[0019] 图2中a是本发明中颗粒部的数量为一个示意图，b是颗粒部的数量为两个示意图，c是颗粒部的数量为多个示意图。[0020] 图3中a是本发明的开关式超材料元胞螺旋调控开始示意图，b是调控部沿腔体部向下移动示意图。[0021] 图4中a是本发明的开关式超材料元胞滑槽调控开始示意图，b是滑槽调控时手柄与腔体部松开时示意图，c是调控部沿腔体部滑槽向下移动示意图。[0022] 图5中a是本发明中支撑部为空心弹性柱示意图，b是支撑部为支撑部为弹簧示意图。[0023] 图6为本发明的基于开关式超材料元胞的声学超结构一个实施例示意图。[0024] 图7是图6的多个组合图。[0025] 图8为本发明的基于开关式超材料元胞的声学超结构另一个实施例示意图。[0026] 图9为本发明的开关式超材料元胞排布方式的两个实施例示意图。[0027] 图10为本发明的开关式超材料元胞排布数量及变化方式的实施例示意图。[0028] 图11为本发明的开关式超材料元胞实施例的振动传递曲线。[0029] 图中：支撑部1、腔体部2、颗粒部3、调控部4、手柄4a、压块4b、开关式超材料元胞5、基体部6。具体实施方式[0030] 下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。[0031] 实施例一[0032] 参阅图1中a所示，本实施例公开了一种开关式超材料元胞5，包括支撑部1、腔体部2、颗粒部3和调控部4，其中，腔体部2设于支撑部1上，颗粒部3设于腔体部2内，即颗粒部3被腔体部2包围住，调控部4可上下移动的设于所述腔体部2的上端。[0033] 在调控部4的下端与颗粒部3接触(局部接触)时，调控部4用于约束颗粒部3的运动自由度，开关式超材料元胞5的非线性特性处于关闭状态，在调控部4的下端与颗粒部3之间设有间隙时，调控部4用于释放颗粒部3的运动自由度，开关式超材料元胞5的非线性特性处于打开状态。[0034] 具体的，腔体部2一方面充当超材料元胞在线性阶段的主质量作用，另一方面用于包围颗粒部3并充当超材料元胞在非线性阶段的被冲击体作用；颗粒部3一方面充当超材料元胞在线性阶段的次质量作用，另一方面充当超材料元胞在非线性阶段的主冲击体作用；支撑部1一方面支撑腔体部2、颗粒部3和调控部4并充当超材料元胞在线性阶段的主刚度作用，另一方面充当载荷输入通道作用；调控部4主要通过调整其与颗粒部3之间的间隙来调整颗粒部3的运动自由度，实现对颗粒部3运动自由度的约束和释放，从而起到打开或关闭超材料元胞非线性特性的作用，实现了对超材料元胞线性阶段和非线性阶段的精确转换。可以使开关式超材料元胞5在不需要依靠大变形和大的载荷激励的条件下，轻松激发出了超材料元胞的非线性特性，大幅提高了超材料元胞非线性特性的稳定性和可靠性，并克服了超材料元胞线性和非线性阶段无法精确转换的不足，同时开关式超材料元胞5还具有结构简单、绿色环保、成本低廉的优点。[0035] 本实施例中，所述颗粒部3与腔体部2的内壁之间设有间隙，例如颗粒部3与腔体部2内侧壁的间隙取0.3mm、2.6mm、10.0mm等，优选地，颗粒部3与腔体部2内侧壁的间隙大于颗粒体半径。[0036] 本实施例中，所述颗粒部3的数量至少为一个(即大于等于一个)，参阅图2中a、b、c所示，例如颗粒部3的颗粒数量可为1、2、9等整数，且相邻的所述颗粒部3之间均设有间隙或相接触，优选地，各个颗粒部3之间可为点接触。[0037] 具体的，本实施例中所述调控部4包括手柄4a，与手柄4a连接的压块4b，压块4b位于腔体部2内，以及通过手柄4a驱动压块4b沿腔体部2上下移动的升降结构，当升降结构使压块4b与颗粒部3接触(局部接触)时，调控部4用于约束颗粒部3的运动自由度，开关式超材料元胞5的非线性特性处于关闭状态，当升降结构使压块4b与颗粒部3之间设有间隙时，调控部4用于释放颗粒部3的运动自由度，开关式超材料元胞5的非线性特性处于打开状态。[0038] 结合图1a所示，本实施例的升降结构包括设于腔体部2内侧壁带的内螺纹，以及设于压块4b的外螺纹，所述压块4b通过外螺纹与腔体部2的内螺纹相配合，手柄4a沿所述腔体部2内侧壁的切向设置。此时，调控部4的压块4b与腔体部2内侧壁连接，调控部4可沿腔体部2内侧壁的切向方向上下移动。结合图3中a和b所示，旋转手柄4a可推动调控部4沿腔体部2内侧壁的切向方向上下移动。[0039] 参阅图5中a和b所示，所述支撑部1为实心弹性柱体、空心弹性柱体或弹簧。[0040] 本实施例中，所述支撑部1为钢制支撑部、铝制支撑部、橡胶支撑部、炭纤维支撑部、聚氨酯支撑部、尼龙支撑部或石棉支撑部等。[0041] 本实施例中，所述颗粒部3为钢制颗粒部、铜制颗粒部、石制颗粒部、塑料颗粒部或硅橡颗粒部等。[0042] 本实施例中，所述腔体部2为铁制腔体部、钢制腔体部、铝制腔体部、铜制腔体部或塑料腔体部等。[0043] 本实施例中，为了实现精确转换，可以在手柄4a或腔体部2上设置刻度。并且可以采用手动控制或电力驱动控制。[0044] 图11为开关式超材料元胞实施例的振动传递曲线。[0045] 实施例二[0046] 参阅图1中b所示，本实施例的其他结构与实施例一相同，不同之处在于，本实施例中的升降结构包括设于腔体部2侧壁的滑槽，手柄4a垂直于腔体部2的内侧壁方向且穿过滑槽后与压块4b连接，手柄4a的外端设有凸台。[0047] 本实施例中，设置调控部4的压块4b与腔体部2的内侧壁留有1.0mm的间隙，旋转手柄4a使腔体部2外壁与手柄4a的凸台松开，然后再可推动调控部4沿腔体部2的滑槽方向上下移动。[0048] 实施例三[0049] 参阅图6‑图10所示，本实施例提供一种声学超结构，包括基本部6、实施例一或实施例二中的开关式超材料元胞5，开关式超材料元胞5设于基本部6上或嵌入基本部6内。[0050] 本实施例中，所述开关式超材料元胞5至少为两个，例如个数为5个，20个，30个，多个开关式超材料元胞5按照预定排布方式连接于基体部6上或按照预定方式镶嵌于基体部6内。例如超材料元胞按均匀网格点排布(如图7和图8)或非均匀网格点排布(如图9)。[0051] 本实施例中，每个开关式超材料元胞5中的各个部件(支撑部1、腔体部2、颗粒部3和调控部4)可以相同，或者按照预定的方式变化，例如每个超材料元胞中支撑部1的高度呈现出4mm‑2mm‑0.5mm‑4mm‑2mm的变化趋势，开关式超材料元胞5中颗粒部3的个数呈现出27‑9‑17‑12‑25的变化趋势。[0052] 优选地，所述基本部6为均质梁/板结构、加筋梁/板结构、夹层梁/板结构、碳纤维复合材料梁/板结构或多层复合梁/板结构。[0053] 实施例四[0054] 参阅图4‑图6，本实施例提供一种声学超结构，包括基本部6、实施例一或实施例二中的开关式超材料元胞5，开关式超材料元胞5设于基本部6上。[0055] 本实施例中，所述基体部6为铝合金制梁状结构，开关式超材料元胞5的数量为10个，元胞的间距100mm，腔体部2呈柱状，侧带滑槽，腔体部2内的颗粒部数量为4，颗粒部3为钢制球状结构，球的直径4mm。[0056] 本实施例中，调控部4由手柄4a和压块4b组成，压块4b位于腔体部2内，以及通过手柄4a驱动压块4b沿腔体部2上下移动的升降结构，当升降结构使压块4b与颗粒部3接触(局部接触)时，调控部4用于约束颗粒部3的运动自由度，开关式超材料元胞5的非线性特性处于关闭状态，当升降结构使压块4b与颗粒部3之间设有间隙时，调控部4用于释放颗粒部3的运动自由度，开关式超材料元胞5的非线性特性处于打开状态。[0057] 本实施例中，开关式超材料元胞5在非线性特性处于关闭状态、打开状态两种情况下，进行振动响应测试，通过白噪声激励，测得梁状基本部6上表面的平均振动传递率曲线(参阅图11)，从图可知，在等质量的情况下，开关式超材料元胞5非线性特性打开时比关闭时，在0‑1000Hz频段内的振动传递曲线均发生衰减，200Hz‑800Hz峰值衰减量大于8dB。可见，本发明的开关式超材料结构具有良好的低频宽带吸波作用。[0058] 本发明通过调控部能够轻松激发出结构的非线性特性，并具备灵活的线性和非线性转换功能，可克服传统人工声学微结构单元的非线性特性难以激发、线性和非线性阶段无法精确转换的不足，并且结构简单、成本低廉。[0059] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

专利地区：湖南

专利申请日期：2022-01-17

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114420078B