一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料

技术领域

本发明具体涉及一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料，属于超材料 和减振降噪技术领域。

背景技术

在传统结构的设计中，往往追求结构在质量约束条件下的静力学特性，而对由于结构刚 度特性的提高所带来的振动与噪声问题的关注较少。结构的振动显著影响着系统的可靠性、 安全性和系统寿命，也是噪声问题的根源。噪声会对操作人员的舒适程度和身体健康造成严 重危害，还会破坏战斗机、潜艇等设备的隐蔽性，造成不可预料的后果。随着轻质、高强度、 高刚度材料的大量应用，设备面临的高振动与高噪声问题也日益突出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料，本发 明可以有效地获得较宽频率范围的低频带隙，且尺寸较小，方便实际应用。

声学超材料是一种由人工设计的结构，通过调整超材料的整体结构和排列方式，可以实 现普通自然材料所没有的诸多性能，成为近些年来科学研究领域的热点之一。手性结构作为 一种新型工程结构，因其独特的力学性能而备受关注。与传统结构相比，手性结构具有负泊 松比特性，可以更好地抗剪切变形和阻尼特性，同时具有抗冲击、抗爆炸和一定的吸能能力。

本发明基于局域共振原理，结合手性结构，提出了一种兼具高承载、低宽频抑振性能的 三维手性声学超材料，该三维手性声学超材料由相同单胞尺寸的正方体单胞构成，其中任意 一个单胞包括框架和至少一个弹簧-质量块组件，其中框架为一体结构，由圆柱环、连接梁和 球构成，圆柱环的轴线穿过单胞的中心，圆柱环外侧底面与单胞所在正方体表面存在一定间 隙，连接梁的外侧与圆柱环外切，连接处添加一个突起以避免尖锐的过渡，连接梁的轴线穿 过球心。相邻单胞接触部分球的直径和材料相同，除了球结构外，相邻单胞的其他部分不彼 此接触。薄膜的直径与框架圆柱环的外直径相同，薄膜张紧且与框架圆柱环朝内侧的面紧密 粘接，因此具有一定的弹性，起到弹簧的作用。质量块连接在薄膜上且不与框架或其他质量 块接触，质量块的最大尺寸不超出正方体单胞的表面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结构由框架、薄膜和质量块3个部分粘接而成，该声学超材料基于局域共振原理， 可以有效降低较低频率下的振动传递，且在某些频段下减振效果可达50dB以上。该结构具有 尺寸小、质量轻、作用频率范围广、可拓展性能好等优点，可以广泛应用于航空航天、舰船 潜艇、地面交通等领域。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明的一个单胞示意图；

图3a-c为本发明的一个单胞中，圆柱环、连接梁和球的相对位置示意图；其中(a)为 轴测投影图，(b)为俯视图，(c)为正视图；

图4为本发明通过有限元计算得到的能带图(灰色部分为带隙)；

图5为本发明通过有限元计算得到的频响曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明做进一步的说明，内容为本发明的解释，并非对本发 明有任何限制。

本发明的一个实例及其单胞如图1-图3c所示。正方体单胞的晶格常数为30mm，框架材 料为尼龙，弹性模量为1312MPa，泊松比为0.33，密度为979kg/m

该实例的带隙特性可以通过有限元计算得到，图4展示了计算得到的能带图，其在238.5Hz-365.9Hz具有完全带隙，处于这个频率范围内的弹性波在该结构中传播会受到抑制。

将单胞进行阵列，就得到了本发明所述的一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性 声学超材料，如图1所示。在实例的左侧施加向右的正弦波激励，并拾取激励点和实例右侧 的加速度幅值，可以得到该实例的频响曲线，如图5所示。在能带图完全带隙所在频率附近， 频响曲线出现了明显的传输峰谷，表明该结构具有隔振作用。