[發明專利]非線性耦合共振單元及非線性聲學超材料元胞結構

有效

• 申請號: 202110418255.X
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113153949B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 方鑫;盛鵬;溫激鴻
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: F16F7/104
• 分類號: F16F7/104
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 閔亞紅

本發明涉及一種非線性耦合共振單元及非線性聲學超材料元胞結構，所述非線性耦合共振單元包括：振子、彈簧、底座、套筒和支撐桿；所述振子中間設有中心孔，所述支撐桿穿過所述振子的中心孔；所述振子與支撐桿同軸心設置；所述支撐桿以振子為中點，兩端對稱且均套設在套筒中；所述套筒遠離振子的一端設有底座，所述振子兩端均通過彈簧與底座固定連接；所述振子的端面與所述套筒的端面之間以及所述振子的中心孔與所述支撐桿之間均設有間隙。該單元具有結構緊湊、可調節等特性；應用該單元，基于典型板殼結構，設計了超非線性材料結構，可產生非線性局域共振帶隙和混沌帶，使其在小附加質量下產生低頻寬帶的振動抑制效果。

技術領域

本發明涉及一種非線性耦合共振單元、非線性聲學超材料元胞及其非線性聲學超材料結構，屬于航空航天、機械工程、固體力學、振動噪聲控制和超材料領域。

背景技術

結構振動抑制是對設備/裝備/產品性能具有重要影響。尤其是在航空航天領域，裝備服役環境惡劣且結構輕量化至關重要，飛機/火箭上的板殼結構多，在發動機和氣動激勵下產生的振動不僅影響飛行器結構的穩定性、安全性和精密儀器的精度等，同時振動輻射噪聲，嚴重影響乘用的舒適性。受工程應用的重量、尺寸、效率、環境適應性等條件約束，在小附加質量下實現板殼類結構的低頻、寬帶、高效振動抑制一直是困擾航空航天等裝備設計的難題，迫切需要研發新的減振降噪技術。

聲學超材料是指具有彈性波亞波長調控特性的人工超常材料/結構。不同于傳統材料，超材料基于人工設計的周期性微結構來調控低頻彈性波，其基于現有基礎材料或復合材料，按照產品技術要求反向設計微結構，獲得具有新特性的新型材料。目前，大量的研究集中在線性聲學超材料。然而，線性聲學超材料的局域共振帶隙帶寬較窄，且帶寬與局域共振單元的附加質量相關，難以同時實現輕質、低頻、寬帶的減振性能。此外，有限尺寸的線性超材料頻譜通帶由密集的共振峰構成，元胞的數量越多，通帶內的共振峰數量就越多。即，線性超材料的窄帶彈性波禁帶能衰減結構振動，但其較寬通帶內的響應卻被共振放大。

非線性聲學超材料是指具有顯著非線性動力學效應的聲學超材料。研究表明，在強非線性條件下，密集的結構共振變成強非線性耦合共振，甚至產生混沌響應。該效應具有低頻、寬帶、高效振動抑制能力，稱為“混沌帶”效應。根據非線性局域共振帶隙的橋連耦合原理，增加兩個非線性局域共振帶隙之間的頻率距離，可以提高混沌帶內的彈性波抑制效能和總的衰減帶寬。利用橋連耦合原理，對非線性聲學超材料的混沌帶進行調控，可突破傳統線性超材料振動抑制帶寬限制，實現超低頻、超帶寬、高效的振動抑制。然而，強非線性元胞的設計技術有待創新，輕質、可調節非線性耦合共振單元設計可以推進非線性聲學超材料的減振降噪應用。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是強非線性耦合共振單元設計方法，以及工程結構的輕質低頻寬帶振動抑制問題。

為實現上述目的，本發明設計的強非線性耦合共振單元由Duffing諧振器、扭轉諧振器和振動-沖擊諧振器集成，通過分段彈簧和間隙碰撞產生強非線性作用；通過控制線性彈簧的剛度系數、振子與套筒之間的間隙、振子與支撐桿之間的間隙大小控制非線性剛度系數；通過控制共振單元的垂直共振頻率和扭轉共振頻率調節局域共振帶隙位置，進而控制混沌帶振動抑制帶寬。將元胞周期性排列在基體梁板殼結構上構建非線性聲學超材料結構，實現低頻寬帶的振動抑制。

一種非線性耦合共振單元，包括：振子、彈簧、底座、套筒和支撐桿；

所述振子中間設有中心孔，所述支撐桿穿過所述振子的中心孔；所述振子與支撐桿同軸心設置；

所述支撐桿以振子為中點，兩端對稱且均套設在套筒中；所述套筒遠離振子的一端均設有底座，所述振子兩端均通過彈簧與底座固定連接；

所述振子的端面與所述套筒的端面之間設有第一間隙δ₁，所述振子的中心孔與所述支撐桿之間設有第二間隙δ₂。