通道式超材料振子元胞及其力学超材料复合器件

1.本实用新型属于先进结构功能材料振动与噪声控制新技术领域，尤其涉及一种通道式超材料振子元胞及其力学超材料复合器件。


背景技术：

2.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，如吸波、声换能、声定位/探测、声透镜等方面。
3.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薄膜集中质量振子、悬臂梁振子、螺旋迷宫振子、双稳态屈曲结构等，这些人工声学微结构单元在低频段具有较好的吸波性能，但是频带较窄，往往需要通过多个结构串联/并联协同设计、或增加结构尺寸/质量来拓宽宽频，这无疑增加了结构的复杂程度、制造成本，并降低了结构的可靠性，这些无疑限制了传统人工声学微结构单元的工应用。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了解决上述背景技术中存在的问题，设计一种通道式超材料振子元胞及其力学超材料复合器件，其能够轻松实现能量放大，显著拓宽低频吸波频带，可克服传统人工声学微结构单元难以实现宽带吸波的不足，并且结构简单、整体刚度大、鲁棒性好。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
6.一方面，本实用新型提供一种通道式超材料振子元胞，由多个通道式超材料振子单元组合排布而成，所述通道式超材料振子单元，包括防护壳体、一个以上的混动模块以及支撑模块；所述一个以上的混动模块由支撑模块支撑在防护壳体内；所述混动模块包括混动通道和一个以上的混动颗粒，混动颗粒置于混动通道内，混动颗粒与混动通道内壁之间留有活动空间，混动颗粒的运动范围限定在混动通道内。
7.作为本实用新型的优选实施方式，至少一个以上的混动模块中的至少一条混动通道由通道围护部、混动刚度部围合而成。
8.作为本实用新型的优选实施方式，至少一个以上的混动模块中的至少一条混动通道由通道围护部、混动刚度部和防护壳体内壁围成。
9.作为本实用新型的优选实施方式，每个混动模块均包括一条以上的混动通道。
10.作为本实用新型的优选实施方式，每个混动模块中的各条混动通道形成圆形、椭圆形或多边形的闭合回路。
11.作为本实用新型的优选实施方式，每个混动模块中的各条混动通道由支撑模块支
撑在同一平面上，混动通道是由通道围护部、混动刚度部围合而成的环形通道、线段式通道、弧形段式通道或者曲线段式通道，或者由通道围护部、混动刚度部和防护壳体内壁围成的环形通道、线段式通道、弧形段式通道或者曲线段式通道。
12.作为本实用新型的优选实施方式，防护壳体内的各混动模块呈层状分布，防护壳体内的各混动模块由支撑模块支撑在不同高度，且各混动模块的四周外缘与防护壳体之间均留有活动空间。
13.作为本实用新型的优选实施方式，所述支撑模块为支撑在防护壳体与混动刚度部之间、混动刚度部与混动刚度部之间的支撑杆。
14.作为本实用新型的优选实施方式，所述混动通道的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。
15.另一方面，本实用新型提供一种力学超材料复合器件，包括基体以及设置在基体上的一个以上的上述任一种实施方式中的通道式超材料振子元胞，通道式超材料振子元胞中的多个多个通道式超材料振子单元呈离散排布或者紧密排布在基体上或镶嵌于基体内。
16.本实用新型中防护壳体，能够提高通道式超材料振子单元的整体刚度并使其保持稳定，同时作为外界连接口用于弹性波的交互传输，同时还对防护壳体内的器件起到防护作用。
17.本实用新型中的支撑模块，用于将各混动模块按照设计要求支撑在防护壳体内，使各混动模块以及各混动模块中的混动通道按照设定的结构形式支撑在防护壳体内，支撑各混动模块并为通道式超材料振子单元提供次刚度。
18.本实用新型中的一部分混动通道由通道围护部、混动刚度部围合而成，一部分混动通道由通道围护部、混动刚度部和防护壳体内壁围合而成。混动通道作为混动颗粒的活动空间。混动刚度部充当通道式超材料振子单元的共振主刚度，同时作为其共振次质量，通道围护部和混动颗粒共同作为通道式超材料振子单元的共振主质量，混动颗粒同时还发挥主冲击体作用。
19.本实用新型通过上述技术方案，能够轻松实现能量放大，显著拓宽低频吸波频带，可克服传统人工声学微结构单元难以实现宽带吸波的不足，并且结构简单、整体刚度大、鲁棒性好。
附图说明
20.图1为本实用新型一实施例提供的通道式超材料振子单元的结构示意图；
21.图2为本实用新型一实施例中混动模块的结构示意图；
22.图3为本实用新型一实施例中混动模块其混动通道的排列结构示意图；
23.图4为本实用新型一实施例中提供的一种形式的混动模块的结构示意图；
24.图5为本实用新型一实施例中提供的一种形式的混动模块的结构示意图；
25.图6为本实用新型一实施例中提供的一种形式的混动模块的结构示意图；
26.图7为本实用新型一实施例中提供的一种形式的混动模块的结构示意图；
27.图8为本实用新型一实施例中提供的一种形式的混动模块的结构示意图；
28.图9为本实用新型一实施例中提供的一种形式的混动模块的结构示意图；
29.图10为本实用新型一实施例提供的通道式超材料振子超元胞的结构示意图；
30.图11为本实用新型一实施例提供的力学超材料复合器件的结构示意图；
31.图12为本实用新型一实施例提供的力学超材料复合器件的结构示意图；
32.附图标记说明：
33.1-支撑模块，2-混动模块，3-防护壳体，21-混动刚度部，22-混动通道，23-通道围护部，24-混动颗粒，4-通道式超材料振子单元，5
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基体。
34.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
38.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
39.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
40.本实用新型提供一种通道式超材料振子元胞，由多个通道式超材料振子单元组合排布而成。
41.如图1所示，本实施例提供一种通道式超材料振子单元，包括防护壳体3、一个以上的混动模块2以及支撑模块1；所述一个以上的混动模块2由支撑模块1支撑在防护壳体3内，各混动模块2的四周外缘与防护壳体3之间均留有活动空间。所述混动模块2包括混动通道22和大量的混动颗粒24，混动颗粒24置于混动通道22内，混动颗粒24与混动通道22内壁之间留有活动空间，混动颗粒24的运动范围限定在混动通道22内。防护壳体3内的各混动模块2呈层状分布，防护壳体3内的各混动模块2由支撑模块1支撑在不同高度。防护壳体3内混动模块的层数不限，如1层、2层、3层......均可。
42.本实用新型中防护壳体3为空心壳体，其具体的形状不限，如可以为空心圆柱壳体、长方形菱柱壳体、三角形菱柱壳体。防护壳体3 的材质不限，可由pvc、橡胶、塑料、铝合
金、钢、铜、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、混凝土等制成。防护壳体3能够提高通道式超材料振子单元的整体刚度并使其保持稳定，同时作为外界连接口用于弹性波的交互传输，同时还对防护壳体内的器件起到防护作用。
43.本实用新型中的一部分混动通道22由通道围护部23、混动刚度部21围合而成，一部分混动通道22由通道围护部23、混动刚度部 21和防护壳体3的内壁围合而成。混动通道22作为混动颗粒24的活动空间。混动刚度部21充当通道式超材料振子单元4的共振主刚度，同时作为其共振次质量，通道围护部23和混动颗粒24共同作为通道式超材料振子单元4的共振主质量，混动颗粒24同时还发挥主冲击体作用。所述混动颗粒24可由钢、铝合金、铜、橡胶、石材等制成。
44.本实用新型中的支撑模块1，用于将各混动模块2按照设计要求支撑在防护壳体3内，使各混动模块2以及各混动模块2中的混动通道22按照设定的结构形式支撑在防护壳体3内，支撑各混动模块2 并为通道式超材料振子单元4提供次刚度。支撑模块1的具体结构以及支撑方式不限，可以是一系列的支撑杆，也可以是由一系列支撑杆组合而成的支撑框架。支撑模块1的材质不限，可由金属、pvc、塑料等制成。图1所示实施例中，支撑模块1为支撑在防护壳体3与混动刚度部21之间、混动刚度部21与混动刚度部21之间的支撑杆。
45.本实用新型一些优选实施例中，每个混动模块2均包括一条以上的混动通道22。即每个混动模块2中的混动通道22可以是一条，也可以包含多条，不作限制。混动通道22的截面形状不限，可以为圆形、椭圆形、方形、三角形、六边形等。各混动通道22的轨迹不限，可以呈圆形、椭圆形或多边形的闭合回路。每个混动模块2中的各条混动通道22由支撑模块1支撑在同一平面上。
46.参照图2和图3，该实施例中的混动模块2中包含3条方形的混动通道2，3条方形的混动通道2由支撑模块1支撑在同一平面上，3 条混动通道由里至外排列成“回”字形结构。
47.参照图4、图5、图6、图7、图8和图9，通道式超材料振子单元中的混动模块的具体结构不限，混动模块中的混动通道的数目、各混合通道的形状、分布也不限。混动模块中的混动通道的具体结构形式不限，只要是通道围护部23、混动刚度部21围合而成的空间，或者通道围护部23、混动刚度部21和防护壳体3的内壁围合而成的空间，能够将混动颗粒24的运动范围限定在混动通道内，混动颗粒24 与混动通道内壁之间留有活动空间即可，空间可以是通道式的空间，如可以是环形通道、线段式通道、弧形段式通道、曲线段式通道，也可以是其他形状的空间如三角形空间等等其他各种形状的空间。优选地，混动模块中混动通道的是左右、上下对称结构。
48.参照图4，混合模块包括一条混动通道和大量的混动颗粒24，其中的混合通道形成正方形的环形通道，其整个环形通道是连通的，大量的混动颗粒24置于混动通道内，混动颗粒24与混动通道内壁之间留有活动空间，混动颗粒的运动范围限定在混动通道内。图4中的支撑模块1为支撑在防护壳体3与混动刚度部21之间的支撑杆。混动刚度部21为方形的支撑板，支撑杆支撑在混动刚度部21的中心。混动通道由通道围护部23、混动刚度部21和防护壳体3的内壁围合而成的正方形的环形通道。
49.参照图5，混合模块包括2条混动通道和大量的混动颗粒24。其中混动通道均为正方形的环形通道。2条混动通道由支撑模块1支撑在同一平面上，2条混动通道由里至外排列成“回”字形结构。图4 中的支撑模块1为支撑在防护壳体3与混动刚度部21之间的支撑杆。
混动刚度部21为方形的支撑板，支撑杆支撑在混动刚度部21的中心。内侧的混动通道为由通道围护部23、混动刚度部21围合而成的正方形的环形通道，外侧的混动通道为由通道围护部23、混动刚度部21 和防护壳体3的内壁围合而成的正方形的环形通道。大量的混动颗粒 24置于混动通道内，混动颗粒24与混动通道内壁之间留有活动空间，混动颗粒的运动范围限定在混动通道内。
50.参照图6，混合模块包括多条混动通道和大量的混动颗粒24。图 4中的支撑模块1为支撑在防护壳体3与混动刚度部21之间的支撑杆。混动刚度部21包括4块方形的支撑板，支撑杆位于中心位置，4 块方形的支撑板由支撑杆支撑且左右、上下对称分布在支撑杆的四周。各个混动刚度部21上分布有两个由通道围护部23、混动刚度部21 围合而成线段式的混动通道，大量的混动颗粒24置于混动通道内，混动颗粒24与混动通道内壁之间留有活动空间，混动颗粒的运动范围限定在混动通道内。
51.参照图7，图7与图6类似，不同之处在于，一部分混动颗粒24 置于混动模块四角位置由通道围护部23、混动刚度部21和防护壳体 3的内壁围合而成三角形空间内，该三角形空间也属于本实用新型所述的混动通道。
52.图8和图9所示实施例中的混动通道是弧形的混动通道，形式稍有不同。其中，图8中的支撑模块为1为支撑在防护壳体3与混动刚度部21之间的支撑杆。混动刚度部21为圆形的支撑板，支撑杆支撑在混动刚度部21的中心位置。通道围护部23包括与支撑杆连接且以支撑杆为中心呈十字形分布的直线形通道围护部、还包括以支撑杆为中心呈环形分布的弧形通道围护部。直线形通道围护部、弧形通道围护部以及防护壳体3的内壁围合形成多条弧形的混动通道。大量的混动颗粒24置于混动通道内，混动颗粒24与混动通道内壁之间留有活动空间，混动颗粒的运动范围限定在混动通道内。
53.图9所示实施例中，支撑模块为1为支撑在防护壳体3与混动刚度部21之间的支撑杆。混动刚度部21包括4块扇形的支撑板，支撑杆位于中心位置，4块扇形的支撑板由支撑杆支撑且左右、上下对称分布在支撑杆的四周。4块扇形的支撑板之间彼此间设有间距。各个混动刚度部21上，分布有由直线形通道围护部、弧形通道围护部以及防护壳体3的内壁围合形成的多条弧形的混动通道，大量的混动颗粒24置于混动通道内，混动颗粒24与混动通道内壁之间留有活动空间，混动颗粒的运动范围限定在混动通道内。
54.所述通道式超材料振子单元可以是以单个独立形式使用，也可以是通过组合构成通道式超材料振子超元胞形式使用。参阅图10，本实用新型一实施例中提供的通道式超材料振子超元胞，由多个上述任一实施例中提供的通道式超材料振子单元组合排布而成。图10中的 4个方形的通道式超材料振子单元紧密排列在一起，形成一个方形的通道式超材料振子超元胞。
55.通道式超材料振子超元胞中通道式超材料振子单元的数目优选为4个以上，具体数目上不封顶，可以是更多个。通道式超材料振子超元胞最终的形状不限，通道式超材料振子超元胞中的通道式超材料振子单元按照不同的形式排布在一起即可。
56.参照图11和图12，本实用新型提供一种力学超材料复合器件，包括基体以及设置在基体上的一个以上的上述任一种实施方式中的通道式超材料振子元胞，通道式超材料振子元胞中的多个多个通道式超材料振子单元4呈离散排布或者紧密排布在基体上或镶嵌于基体内。
57.优选地，通道式超材料振子元胞中包含的通道式超材料振子单元 4的个数应大于四。
58.力学超材料复合器件可由多个通道式超材料振子单元4离散排布或者紧密排布在基体5上构成，也可由多个通道式超材料振子单元 4离散或者紧密镶嵌于基体5内构成，也可以由多个通道式超材料振子单元4连续沿拓构成。
59.如图11所示实施例中，力学超材料复合器件，包括长方形的基体5以及设置在基体5上的通道式超材料振子元胞，通道式超材料振子元胞包括6个方形的通道式超材料振子单元4。6个通道式超材料振子单元4在基体5上离散排布成一个阵列形式。通道式超材料振子单元4内的具体结构不限，可以上前述实施例中任一种方式。
60.所述基体5的结构不限，可为单层板、加筋板、多层板。根据实际应用，基体5也可用实际安装壁面替换，例如墙体、舱箱，即将多个通道式超材料振子单元4离散排布或者紧密排布墙体或舱箱上，或多个通道式超材料振子单元4离散或者紧密镶嵌于墙体或舱箱内，其整体也构成本实用新型所述的力学超材料复合器件。
61.如图12所示实施例中，力学超材料复合器件，包括通道式超材料振子元胞，通道式超材料振子元胞由9个长方形的通道式超材料振子单元4构成，9个通道式超材料振子单元4紧密排列成一个长方形的超材料振子超元胞。将超材料振子超元胞离散排布或者紧密排布在待安装壁面上或者离散或者紧密镶嵌于待安装壁面内，其整体也构成本实用新型所述的力学超材料复合器件。通道式超材料振子单元4内的具体结构不限，可以上前述实施例中任一种方式。
62.本实用新型的作用原理和技术效果如下：外部载荷通过防护壳体进入通道式超材料振子单元时，带动通道式超材料振子单元运动，当其运动的频率接近通道式超材料振子单元的共振频率时，会引发其局域共振效应，导致其发生剧烈运动，而剧烈运动的通道式超材料振子单元会带动混动模块、混动模块中各混动通道内的混动颗粒运动，使得混动模块、混动模块中各混动通道内的混动颗粒的动态质量放大，而经过放大了的混动颗粒会与约束混动颗粒活动空间的混动通道发生碰撞冲击，使得共振效能频带大幅拓宽，进而快速将系统的动能收集耗散掉，实现了对低频弹性波的拓宽吸收。
63.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。