[发明专利]振子单元以及基于它的非线性声学超材料元胞结构

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种振子单元、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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。