质量放大型微振子单元及基于它的超材料装置

1.本实用新型属于高新装备(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，具体涉及一种质量放大型微振子单元及基于它的超材料装置。


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、硬软材料块振子、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.针对现有技术存在的缺陷和不足，本实用新型的目的是提供一种质量放大型微振子单元及基于它的超材料装置。
5.为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案为：
6.质量放大型微振子单元，包括：
7.一个以上的混动部件，各混动部件均包括整体运动部和离散运动部，所述离散运动部设置在整体运动部内，由整体运动部限定离散运动部的运动范围；
8.杠杆支撑部件，用于安装所述混动部件，对各混动部件形成杠杆支撑；
9.接口部件，连接在杠杆支撑部件的底部，支撑杠杆支撑部件以及杠杆支撑部件上的混动部件。
10.在制作安装上述质量放大型微振子单元时，根据需求调整各混动部件与接口部件在杠杆支撑部件上的相对安装位置，能够实现质量放大型微振子单元其共振频率的调整。
11.为了能够更方便的实现质量放大型微振子单元其共振频率的调整，作为本实用新型的优选方案，其中至少一个混动部件活动安装在杠杆支撑部件上，能够实现其与接口部件在杠杆支撑部件上的相对位置的调整，进而实现质量放大型微振子单元其共振频率的实时调整。混动部件距离接口部件越远，质量放大型微振子单元其共振频率越低，将活动安装在杠杆支撑部件上的混动部件向远离接口部件的方向移动，能够将质量放大型微振子单元
其共振频率调低。
12.作为本实用新型的优选技术方案，所述接口部件支撑杠杆支撑部件的支撑高度可调，通过调高接口部件支撑杠杆支撑部件的支撑高度，能够将质量放大型微振子单元其共振频率调低。
13.作为本实用新型的优选技术方案，通过增加混动部件的重量，能够将质量放大型微振子单元其共振频率调低。
14.作为本实用新型的优选技术方案，所述整体运动部包括腔体部以及盖体部，所述离散运动部限定在由腔体部和盖体部密封而成的腔体内。
15.作为本实用新型的优选技术方案，所述离散运动部包括多个呈颗粒状的粒状体，各个粒状体之间留有间隙或局部接触，所述离散运动部与腔体部、盖体部之间留有活动空间。
16.作为本实用新型的优选技术方案，所述盖体部、腔体部内壁表层设置有弹性层或/和所述粒状体的外壁表层包覆有弹性层。
17.作为本实用新型的优选技术方案，所述杠杆支撑部件为梁杆类结构，包括一根以上的支撑梁杆，各支撑梁杆之间彼此连接成直线形、折线形或星形结构。进一步地，至少一根支撑梁杆上设置有导向部和调节部，所述调节部上安装连接有混动部件，调节部与导向部配合连接，调节部能够沿着导向部移动，能够实现调节件上混动部件与接口部件在杠杆支撑部件上的相对位置的调整，进而实现质量放大型微振子单元其共振频率的实时调整。
18.作为本实用新型的优选技术方案，所述杠杆支撑部件为轴类结构，包括一根以上的支撑轴，各支撑轴上连接有两个以上的混动部件。进一步地，至少一个混动部件与其对应的支撑轴同轴安装连接且能够沿着支撑轴移动，能够实现其与接口部件在杠杆支撑部件上的相对位置的调整，进而实现质量放大型微振子单元其共振频率的实时调整。
19.作为本实用新型的优选技术方案，所述接口部件为弹簧、实心弹性柱或者空心弹性柱。
20.作为本实用新型的另一方面，提供一种基于上述质量放大型微振子单元的超材料装置，包括基体装置以及安装在基体装置上的多个上述任一种质量放大型微振子单元。
21.作为本实用新型的优选技术方案，所述基体装置为均质梁/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。
22.作为本实用新型的优选技术方案，安装在基体装置上的质量放大型微振子单元按照设定的方式排布，包括但不限于呈阵列排布。
23.进一步地，本实用新型中所述杠杆支撑部件可由铝、钢、塑料等制成，所述接口部件可由钢、铝、橡胶、炭纤维、聚氨酯、尼龙、石棉等制成，所述离散运动部可由钢、铜、石材、pvc、硅橡胶等制成，所述盖体部可为铁、钢、铝、铜、pvc等制成，所述腔体部的材料可与盖体部的材料相同。
24.本实用新型中的所述接口部件一方面支撑支撑杠杆支撑部件以及杠杆支撑部件上的混动部件，同时也为质量放大型微振子单元提供次刚度。
25.本实用新型中的所述杠杆支撑部件主要为质量放大型微振子单元提供主刚度，并为质量放大型微振子单元提供放大杠杆作用，同时还为质量放大型微振子单元提供次质量。本实用新型中的所述整体运动部用于限定离散运动部的运动范围，并充当被动冲击体
作用。本实用新型中的离散运动部主要充当主动冲击体作用。即杠杆支撑部件、接口部件共同为质量放大型微振子单元提供静态刚度，整体运动部、杠杆支撑部件共同为质量放大型微振子单元提供静态质量，一同构成质量放大型微振子单元的静态系统，当外部载荷通过接口部件进入质量放大型微振子单元时，会激发出静态系统的动态共振效应，使得混动部件在杠杆支撑部件的杠杆放大作用下发生剧烈震荡，而剧烈震荡的混动部件会使得离散运动部剧烈振动并与整体运动部发生冲击碰撞，使得共振效能频带大幅拓宽，进而快速将系统的动能收到耗散掉，实现了对低频弹性波的拓宽吸收。因此本实用新型在不需要增加结构重量的情况下，实现了对低频弹性波的拓宽吸收，并提高了超材料结构的可靠性，并克服了传统超材料元胞难以实现对低频弹性波宽带吸收缺陷，同时还具有结构简单、绿色环保、成本低廉的优点。
26.进一步的，通过调整质量放大型微振子单元中至少一个混动单元与与接口部件在杠杆支撑部件上的相对位置，即可实现调整质量放大型微振子单元共振频率的目的。具体调整的方式，可以在安装时就根据需求调整好。另外进一步地，本实用新型还提供有多种可以实现实时调整的优选方案，可以方便的实现混动部件与接口部件之间的相对位置的调整，从而达到调整质量放大型微振子单元共振频率的目的。混动部件距离接口部件越远，其共振频率越低。此外，通过调大混动部件的重量、或者调高接口部件的高度也可以将共振频率调低。
附图说明
27.图1为本实用新型一实施例的结构示意图；
28.图2为本实用新型一实施例的结构示意图；
29.图3为本实用新型一实施例中混动部件的结构示意图；
30.图4为本实用新型一实施例的结构示意图；
31.图5为本实用新型一实施例的结构示意图；
32.图6为本实用新型一实施例的结构示意图，其中(a)为该实施例中的混动部件位于初始位置时的状态图，(b)为该实施例中的混动部件移动一定位置后的状态图；
33.图7为本实用新型一实施例的结构示意图，其中(a)为该实施例中的混动部件位于初始位置时的状态图，(b)为该实施例中的混动部件移动一定位置后的状态图；
34.图8为本实用新型一实施例的结构示意图；
35.图9为本实用新型一实施例的结构示意图；
36.图10为本实用新型一实施例的结构示意图；
37.图11为本实用新型一实施例的结构示意图；
38.图12为本实用新型一实施例的结构示意图(超材料装置)；
39.图13为本实用新型一实施例的结构示意图(超材料装置)；
40.图例说明：
41.1、接口部件，2、杠杆支撑部件，21、导向部，22、调节部，3、整体运动部，4、离散运动部，5、混动部件，31、腔体部，32、盖体部，6、质量放大型微振子单元，7、基体装置。
42.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
43.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。
44.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。
45.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。
46.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。
47.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。
48.如图1所示，本实施例提供一种质量放大型微振子单元，其能够轻松实现质量放大，并拓宽低频吸波频带，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、成本低廉、可靠性高。具体地，包括：
49.一个以上的混动部件5，各混动部件5均包括整体运动部3和离散运动部4，所述离散运动部4设置在整体运动部3内，由整体运动部3限定离散运动部4的运动范围；
50.杠杆支撑部件2，用于安装所述混动部件5，对各混动部件5形成杠杆支撑；
51.接口部件1，连接在杠杆支撑部件2的底部，支撑杠杆支撑部件2以及杠杆支撑部件2上的混动部件5。
52.在制作安装上述质量放大型微振子单元时，根据需求调整各混动部件5与接口部件1在杠杆支撑部件2上的相对安装位置，能够实现质量放大型微振子单元其共振频率的调整。
53.当外部载荷通过接口部件进入质量放大型微振子单元时，会激发出静态系统的动态共振效应，使得混动部件在杠杆支撑部件的杠杆放大作用下发生剧烈震荡，而剧烈震荡的混动部件会使得离散运动部剧烈振动并与整体运动部发生冲击碰撞，使得共振效能频带大幅拓宽，进而快速将系统的动能收到耗散掉，实现了对低频弹性波的拓宽吸收。
54.图1所示实施例中，包括5个混动部件。所述杠杆支撑部件2为梁杆类结构，包括两根支撑梁杆，两根支撑梁杆呈直角连接，其中一根支撑梁杆的自由端的上、下侧面上均安装连接有一个混动部件，另一个支撑梁杆的自由端的上侧面上安装连接有一个混动部件5，下
侧面上安装连接接口部件1，所述接口部件1为弹簧。两根支撑梁杆的公共端(即直角端)的上、下侧面上均安装连接有一个混动部件5。
55.图2所示实施例中，包括3个混动部件。所述杠杆支撑部件2为轴类结构，包括一根支撑轴，支撑轴的第一端垂直向上安装有一个混动部件5，且支撑轴的第一端垂直向下连接有接口部件1，接口部件1为实心弹性柱或者空心弹性柱。支撑轴上同轴安装有两个混动部件5，其中至少一个混动部件5能够沿着支撑轴移动，调整杠杆支撑部件2上各混动部件5之间的相对位置，进而调整质量放大型微振子单元的共振频率。
56.可以理解，本实用新型中的混动部件5包括整体运动部3和离散运动部4，所述离散运动部4设置在整体运动部3内，由整体运动部3限定离散运动部4的运动范围。其中，整体运动部3的具体形状以及如何实现离散运动部其运动范围的限定，本领域技术人员可以根据现有方法实现。作为本实用新型的优选实施例，参照图3，整体运动部3包括包括腔体部31以及盖体部32，所述离散运动部4限定在由腔体部31和盖体部32密封而成的腔体内。图3中，腔体部31为内部具有圆柱形腔体的圆柱体结构，所述盖体部32能够盖合在腔体部31上端，将腔体部31密封，所述离散运动部4包括多个呈颗粒状的粒状体，各个粒状体之间留有间隙或局部接触，所述离散运动部4与腔体部31、盖体部32之间留有活动空间。
57.图3仅仅是给出了一种混动部件的优选实施方式，在实际应用中，也可以设计不同形状、尺寸、结构的整体运动部以及离散运动部，不限于图3所示的圆柱体形状的整体运动部，整体运动部以及离散运动部的粒状体还可以是其他形状。
58.在本实用新型一优选实施例中的混动部件中，所述盖体部32、腔体部31内壁表层设置有弹性层或/和所述粒状体的外壁表层包覆有弹性层。
59.参照图4，本实用新型一实施例中的质量放大型微振子单元，包括3个混动部件5，混动部件5的结构如图3所示，在此不再赘述。本实施例中的杠杆支撑部件2为一根直线形的支撑梁杆，支撑梁杆的第一端上侧面安装连接有一个混动部件5，支撑梁杆的第一端下侧面安装连接有接口部件1，接口部件1为弹簧。支撑梁杆的第二端的上、下侧面均安装连接有一个混动部件5。
60.参照图5，本实用新型一实施例中的质量放大型微振子单元，包括2个混动部件5，混动部件5的结构如图3所示，在此不再赘述。本实施例中的杠杆支撑部件2为一根直线形的支撑梁杆，支撑梁杆的第一端上侧面安装连接有一个混动部件5，支撑梁杆的第一端下侧面安装连接有接口部件1，接口部件1为弹簧。支撑梁杆的第二端的上侧面安装连接有一个混动部件5。
61.参照图6，本实用新型一实施例中的质量放大型微振子单元，包括2个混动部件5，混动部件5的结构如图3所示，在此不再赘述。本实施例中的杠杆支撑部件2为一根直线形的支撑梁杆，支撑梁杆的第一端上侧面安装连接有一个混动部件5，支撑梁杆的第一端下侧面安装连接有接口部件1，接口部件1为弹簧。支撑梁杆的第二端的上侧面安装连接有一个混动部件5。其中支撑梁杆上设置有导向部21和调节部22，所述调节部22上安装连接支撑梁杆其第二端的上侧面上的混动部件5，调节部22与导向部21配合连接，调节部22能够沿着导向部21移动，调整调节部22上的混动部件5与接口部件1之间的相对位置，进而调整质量放大型微振子单元的共振频率，参照图6中的(a)和(b)。混动部件距离接口部件越远，质量放大型微振子单元其共振频率越低，将活动安装在杠杆支撑部件上的混动部件向远离接口部件
的方向移动，能够将质量放大型微振子单元其共振频率调低。
62.图6中的导向部21为导向槽，主要为了引导混动部件移动调节。调节部22为滑动连接在导向槽内的滑块，主要用于调整声学微振子单元的共振频率。可以理解，导向部21的实现形式不限于导向槽，也可以采用导轨等结构实现。
63.参照图7，本实用新型一实施例中的质量放大型微振子单元，包括2个混动部件5，混动部件5的结构如图3所示，在此不再赘述。本实施例中的杠杆支撑部件2为一根支撑轴，支撑轴的第一端垂直向上安装有一个混动部件5，且支撑轴的第一端垂直向下连接有接口部件1，接口部件1为实心弹性柱或者空心弹性柱。支撑轴上同轴安装有一个混动部件5，该与支撑轴同轴安装的混动部件5能够沿着支撑轴移动(如与支撑轴螺纹连接)，调整该与支撑轴同轴安装的混动部件5与接口部件1之间的相对位置，进而调整质量放大型微振子单元的共振频率。混动部件距离接口部件1越远，质量放大型微振子单元其共振频率越低，将活动安装在杠杆支撑部件上的混动部件向远离接口部件的方向移动，能够将质量放大型微振子单元其共振频率调低。
64.参照图8，本实用新型一实施例中的质量放大型微振子单元，包括7个混动部件5，混动部件5的结构如图3所示，在此不再赘述。杠杆支撑部件2包括三根支撑梁杆，三根支撑梁杆的一端连接在一起，形成三根支撑梁杆的公共端，公共端的上侧面上垂直安装连接有一个混动部件5，公共端的下侧面上垂直向下安装连接有接口部件1，接口部件1为弹簧。三根支撑梁杆彼此直角的夹角均为120度。三根支撑梁杆的自由端的上、下侧面上均安装连接有一个混动部件5。安装在三根支撑梁杆的自由端的混动部件中，至少一个混动部件能够调整其与接口部件之间相对位置，具体结构可以参照图6所示。
65.参照图9，该实施例中质量放大型微振子单元结构与图1所示实施例中的质量放大型微振子单元类似，在此不再赘述。
66.参照图10，本实用新型一实施例中的质量放大型微振子单元，包括4个混动部件5，混动部件5的结构如图3所示，在此不再赘述。杠杆支撑部件2包括三根支撑轴，三根支撑轴的第一端连接在一起，形成三根支撑轴的公共端，支撑轴的公共端上垂直向上安装有一个混动部件5，且支撑轴的公共端垂直向下连接有接口部件1，接口部件1为实心弹性柱或者空心弹性柱。三根支撑轴彼此直角的夹角均为120度。三根支撑轴的自由端上均同轴安装有一个能够沿着支撑轴移动的混动部件5，能够实现混动部件与接口部件之间相对位置的调整，进而调整质量放大型微振子单元的共振频率。
67.参照图11，本实用新型一实施例中的质量放大型微振子单元，包括5个混动部件5。杠杆支撑部件2为直线型，可以采用一块支撑梁杆，也可以采用两块支撑梁杆连接而成。杠杆支撑部件2的中心位置处的上侧面上垂直安装连接有一个混动部件5，杠杆支撑部件2的中心位置处的下侧面上垂直向下安装连接有接口部件1，接口部件1为弹簧。杠杆支撑部件2的两自由端的上、下侧面上均安装连接有一个混动部件5。安装在杠杆支撑部件两自由端的混动部件中，至少一个混动部件能够调整其与接口部件之间相对位置，具体结构可以参照图6所示。
68.本实用新型一优选实施例中，所述接口部件1支撑杠杆支撑部件2的支撑高度可调，通过调高接口部件1支撑杠杆支撑部件2的支撑高度，能够将质量放大型微振子单元其共振频率调低。
69.本实用新型一优选实施例中，通过调大混动部件5的重量，能够将质量放大型微振子单元其共振频率调低。
70.本实用新型一优选实施例中，杠杆支撑部件2上可设置阻尼层。
71.本实用新型上述实施例中的所述杠杆支撑部件可由铝、钢、塑料等制成，所述接口部件可由钢、铝、橡胶、炭纤维、聚氨酯、尼龙、石棉等制成，所述离散运动部可由钢、铜、石材、pvc、硅橡胶等制成，所述盖体部可为铁、钢、铝、铜、pvc等制成，所述腔体部的材料可与盖体部的材料相同。
72.作为本实用新型的另一方面，提供一种基于上述任一实施例中的质量放大型微振子单元的超材料装置，包括基体装置以及安装在基体装置上的多个上述任一实施例中的质量放大型微振子单元6。
73.质量放大型微振子单元6按预定排布方式连接于基体装置7上，或按预定方式镶嵌于基体装置7内。
74.所述质量放大型微振子单元6的个数应大于等于2，每个质量放大型微振子单元6的各个组成装置可以相同也可以不同。
75.进一步地，所述基体装置7可为均质梁/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、多层复合梁/板结构等。
76.进一步地，安装在基体装置7上的质量放大型微振子单元6按照设定的方式排布，包括但不限于呈阵列排布。
77.参照12，本实用新型一实施例中提供的超材料装置，包括基体装置7以及安装在基体装置7上的多个质量放大型微振子单元6。质量放大型微振子单元6结构如图11所示，具体不再赘述。基体装置7为长条形的碳纤维复合材料梁结构，基体装置7上平行等间距且等支撑高度安装有6个质量放大型微振子单元6。各质量放大型微振子单元6的接口部件1连接在基体装置7上，可以根据实际需求选择合适支撑高度的接口部件1。
78.参照图13，本实用新型一实施例中提供的超材料装置，包括基体装置7以及安装在基体装置7上的多个质量放大型微振子单元6。质量放大型微振子单元6结构如图4所示，具体不再赘述。基体装置7为长方形的碳纤维复合材料板结构，基体装置7上的多个质量放大型微振子单元6呈阵列分布。各质量放大型微振子单元6的接口部件1连接在基体装置7上，可以根据实际需求选择合适支撑高度的接口部件1。
79.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。