非线性结构单元及低频宽带降噪超材料结构

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(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、新结构领域，特别是涉及一种非线性结构单元及低频宽带降噪超材料结构。


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、双稳态屈曲结构等几种结构形式，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，难以实现宽带吸波，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，同时限制了传统人工声学微结构单元的工应用。
4.综上所述，本实用新型提出一种新型的非线性结构单元，以克服传统人工声学微结构单元难以实现宽带吸波的不足。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的之一是提供一种非线性结构单元，以解决传统人工声学微结构单元难以实现宽带吸波的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
7.本实用新型提供一种非线性结构单元，包括：
8.接口模块，所述接口模块包括接口壳体部和接口封盖部，所述接口壳体部内设置有接口空腔部，所述接口封盖部用于封闭所述接口空腔部；
9.振子组合体，所述振子组合体设置于所述接口空腔部内，其包括自由活动模块、约束活动模块、第一弹性模块和第二弹性模块；所述约束活动模块具有活动空腔部，用以容纳所述自由活动模块，且所述自由活动模块能够在所述活动空腔部自由活动；所述约束活动模块的一端与所述接口模块之间连接所述第一弹性模块；所述约束活动模块的另一端与所述接口模块之间连接所述第二弹性模块。
10.可选的，所述接口壳体部为一端开口的带底壳体，所述接口封盖部用于安装在所述带底壳体的开口端；
11.或者，所述接口壳体部为两端均开口的壳身结构，所述壳身结构的两端开口均安
装所述接口封盖部。
12.可选的，所述接口壳体部为圆柱型壳体或棱柱型壳体；所述接口空腔部的腔壁为圆柱面或棱柱面；所述接口封盖部为圆形盖或矩形盖。
13.可选的，所述约束活动模块的形状与所述接口空腔部的形状相同；所述活动空腔部的形状为圆柱型或棱柱型。
14.可选的，所述约束活动模块包括：
15.第一约束刚体部，所述第一约束刚体部内开设有第一活动半腔；
16.第二约束刚体部，所述第二约束刚体部与所述第一约束刚体部对接，且所述第二约束刚体部内开设有能够与所述第一活动半腔对接的第二活动半腔；
17.开口部，所述开口部设置于所述第一约束刚体部或所述第二约束刚体部。
18.可选的，所述自由活动模块包括至少一个球形颗粒块；当所述球形颗粒块设置为多个时，任意相邻两所述球形颗粒块之间留有间隙或局部接触。其中，所述球形颗粒块的数量为正整数，即大于等于1个。所述自由活动模块与所述活动空腔部之间留有活动空间。
19.可选的，任意一所述球形颗粒块的外部包覆有第一缓冲弹性层；
20.所述活动空腔部的外部包覆有第二缓冲弹性层。
21.可选的，所述第二缓冲弹性层直接贴附所述活动空腔部的外壁设置，此时所述第二缓冲弹性层嵌置于所述第一约束刚体部和所述第二约束刚体部内。所述第二缓冲弹性层也可包覆在整个约束活动模块3的外壁。
22.可选的，所述第一弹性模块为弹簧、实心弹性柱或空心弹性柱；所述第二弹性模块为弹簧、实心弹性柱或空心弹性柱。
23.可选的，所述第一弹性模块、所述第二弹性模块的数量均不小于1个，例如设置1个、2个或4个。
24.可选的，所述非线性结构单元能够两个以上并联或串联形成超元胞形式。
25.可选的，所述非线性结构单元也可以单个使用。
26.可选的，所述第一弹性模块和/或所述第二弹性模块采用硅胶、橡胶、弹簧钢或塑料材质制成。
27.可选的，所述约束活动模块采用铜、钢、铝、钛合金或石材制成。
28.可选的，所述自由活动模块的任意一所述球形颗粒块由钢、铜、石材、pvc或硅橡胶制成。
29.可选的，所述接口壳体部和/或所述接口封盖部采用亚克力、铁、钢、铝、铜或pvc制成。
30.本实用新型的另一目的还在于提出一种低频宽带降噪超材料结构，其包括基本部件和若干如上所述的非线性结构单元，其中：所述基本部件包括基体板壳，若干所述非线性结构单元间隔排布设置于单层所述基体板壳上；或者若干所述非线性结构单元嵌置于双层所述基体板壳之间，且若干所述非线性结构单元在双层所述基体板壳之间间隔排布。
31.可选的，所述非线性结构单元的个数应大于等于二，且每个所述非线性结构单元的组成装置形式不完全相同，能够按照预定的方式变化。
32.可选的，任意一所述非线性结构单元嵌置于所述基体板壳上。
33.可选的，任意一所述非线性结构单元设置于所述基体板壳的板面上。
34.可选的，若干所述非线性结构单元在单层所述基体板壳上或双层所述基体板壳之间呈矩阵排列。
35.可选的，所述基体板壳上设置有多根横条和多根框肋，所述横条和所述框肋纵横排布，以将所述基本部件分为多个区块，任意一所述区块内均设置有至少一个所述非线性结构单元。
36.可选的，多个所述低频宽带降噪超材料结构分层布置，且任意相邻两层所述低频宽带降噪超材料结构之间通过支座连接，形成力学超材料隔振器。
37.可选的，所述支座为圆柱支撑杆或弹簧结构，也可根据目标频段设计成两种以上尺寸和/或材料不同的叠层组合结构。
38.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
39.本实用新型提出的非线性结构单元，为一种声超材料基本单元，包括接口模块和振子组合体，振子组合体包括自由活动模块、约束活动模块、第一弹性模块和第二弹性模块；接口模块主要支撑振子组合体，提高振子组合体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；第一弹性模块、第二弹性模块为振子组合体提供主刚度，并为非线性结构单元的运动提高导向作用；约束活动模块为振子组合体提供主质量并作为主运动体，同时起限制自由活动模块运动范围的作用；自由活动模块主要发挥主冲击体作用，同时还给振子组合体提供次质量并充当次运动体，同时其还充当主冲击体作用；接口模块的接口封盖部用于给振子组合体提供安装进出口，同时作为观察和检修接口。外部载荷通过接口模块进入非线性结构单元时，带动非线性结构单元运动，当其运动的频率接近振子组合体的共振频率时，会引发其局部动态共振效应，导致其发生剧烈运动，而剧烈运动的振子组合体会带动自由活动模块、约束活动模块运动，使得约束活动模块、自由活动模块的动态质量放大，而经过放大了的自由活动模块会与约束活动模块发生碰撞冲击，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。
40.综上所述，本实用新型提出的非线性结构单元(即声超材料基本单元)能够在不需要增加结构重量的情况下，轻松实现了质量和阻尼双重放大，显著拓宽低频吸波频带，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，克服了传统超材料元胞难以实现对低频弹性波宽带吸收的缺陷，同时还具有结构简单、整体刚度大、鲁棒性好、成本低廉的优点。
41.本实用新型还提出一种包含上述非线性结构单元的低频宽带降噪超材料结构，该低频宽带降噪超材料结构为一种声学超材料复合结构，其具备上述非线性结构单元所具备的所有特点，在此不再赘述。
附图说明
42.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元的示意图；
44.图2-1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元的第一种构成形式示意图；
45.图2-2为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元的第二种构成形式示意图；
46.图2-3为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元的第三种构成形式示意图；
47.图3-1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中接口模块的分解示意图；
48.图3-2为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中接口模块的部分组装示意图；
49.图4-1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中约束活动模块的结构示意图；
50.图4-2为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中多个约束活动模块的组合示意图；
51.图5-1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中自由活动模块包含1个球形颗粒块的结构示意图；
52.图5-2为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中自由活动模块包含2个球形颗粒块的结构示意图；
53.图5-3为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中自由活动模块包含3个以上球形颗粒块的结构示意图；
54.图6-1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中第一弹性体、第二弹性体的第一种构型示意图；
55.图6-2为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中第一弹性体、第二弹性体的第二种构型示意图；
56.图6-3为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中第一弹性体、第二弹性体的第三种构型示意图；
57.图7-1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中第一弹性体、第二弹性体为单个时的安装结构示意图；
58.图7-2为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中第一弹性体、第二弹性体为两个时的安装结构示意图；
59.图7-3为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元中第一弹性体、第二弹性体为四个时的安装结构示意图；
60.图8-1为本实用新型实施例所公开的自由活动模块的结构示意图；
61.图8-2为本实用新型实施例所公开的在自由活动模块外周布置缓冲层的结构示意图；
62.图9-1为本实用新型实施例所公开的在约束活动模块中布置缓冲层的第一种结构示意图；
63.图9-2为本实用新型实施例所公开的在约束活动模块中布置缓冲层的第二种结构示意图；
64.图9-3为本实用新型实施例所公开的在约束活动模块中布置缓冲层的第三种结构示意图；
65.图10-1为本实用新型实施例所公开的非线性结构单元的单体结构示意图；
66.图10-2为本实用新型实施例所公开的两个非线性结构单元的组合形式示意图；
67.图10-3为本实用新型实施例所公开的四个非线性结构单元的组合形式示意图；
68.图11-1为本实用新型实施例所公开的低频宽带降噪超材料结构的第一种形式示意图；
69.图11-2为本实用新型实施例所公开的低频宽带降噪超材料结构的第二种形式示意图；
70.图11-3为本实用新型实施例所公开的低频宽带降噪超材料结构的第三种形式示意图；
71.图11-4为本实用新型实施例所公开的低频宽带降噪超材料结构的第四种形式示意图；
72.图12-1为本实用新型实施例所公开的低频宽带降噪超材料结构的第五种形式示意图；
73.图12-2为本实用新型实施例所公开的低频宽带降噪超材料结构的第六种形式示意图；
74.图12-3为本实用新型实施例所公开的低频宽带降噪超材料结构的第七种形式示意图。
75.其中，附图标记为：100-低频宽带降噪超材料结构，1-接口模块，11-接口壳体部，12-接口封盖部，13-接口空腔部，2-自由活动模块，3-约束活动模块，31-约束刚体部，32-活动空腔部，33-开口部，34-连接部，35-第一缓冲弹性层，36-第二缓冲弹性层，4-第一弹性模块，5-第二弹性模块，6-振子组合体，7-非线性结构单元，8-基体部件，81-基体板壳，82-横条，83-框肋，9-支座。
具体实施方式
76.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做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。
77.本实用新型的目的之一是提供一种非线性结构单元，以解决传统人工声学微结构单元难以实现宽带吸波的问题。
78.本实用新型的另一目的还在于提供一种具有上述非线性结构单元的低频宽带降噪超材料结构。
79.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
80.实施例一
81.如图1-图12所示，本实施例提供一种非线性结构单元7，主要包括接口模块1、自由活动模块2、约束活动模块3、第一弹性模块4和第二弹性模块5；接口模块1包括接口壳体部11、接口封盖部12、接口空腔部13(参阅图3-1、3-2)，自由活动模块2、约束活动模块3、第一弹性模块4、第二弹性模块5组合构成振子组合体6(参阅图1)，振子组合体6置于接口空腔部13内，并被接口壳体部11和接口封盖部12包围；接口壳体部11的一端与第一弹性模块4连接，反向端与第二弹性模块5连接。约束活动模块3包括约束刚体部31，约束刚体部31内开设有活动空腔部32，自由活动模块2置于约束活动模块3的活动空腔部32内，被约束刚体部31
约束活动范围。约束活动模块3的一端与第一弹性模块4连接，反向端与第二弹性模块5连接。
82.本实施例中，作为优选方式，约束刚体部31包括第一约束刚体部和第二约束刚体部，第一约束刚体部内开设有第一活动半腔，第二约束刚体部与第一约束刚体部对接，且第二约束刚体部内开设有能够与第一活动半腔对接的第二活动半腔，第一活动半腔和第二活动半腔对接形成完整的活动空腔部32。第一约束刚体部和/或第二约束刚体部上开设有开口部33。鉴于约束刚体部31采用了上述第一约束刚体部和第二约束刚体部的半体对接式，故第一约束刚体部和第二约束刚体部之间需要有连接配合，即设置了专门的连接部34，该连接部34包括定位插柱和定位孔，定位插柱和定位孔中的一者设置于第一约束刚体部的对接面上，另一者则设置于第二约束刚体部的对接面上，第一约束刚体部和第二约束刚体部之间通过连接部34的定位插柱和定位孔实现定位、连接。开口部33作为自由活动模块2的进出调整口，便于自由活动模块2的调整和检修。
83.本实施例中，自由活动模块2包括至少一个球形颗粒块，球形颗粒块的设置数量为正整数(即大于等于1个，参阅图5-1、5-2、5-3)，自由活动模块2中各个球形颗粒块之间留有间隙或局部接触，自由活动模块2与约束刚体部31的活动空腔部32的腔壁之间留有活动空间(参阅图1、图7-1、图7-2、图7-3)。自由活动模块2内的球形颗粒块优选均匀排布，可单层排布也可多层排布。实际操作中，除上述球形颗粒块外，自由活动模块2还可以包括方形颗粒块、三角形颗粒块、椭圆形颗粒块以及其他多边形颗粒块中的至少一种，较佳的为对外呈点接触或线接触的形状(例如球形颗粒块、椭圆形颗粒块、不规则多边形颗粒块)。自由活动模块2可以由单一形状颗粒块组成，也可以由两种以上形状的颗粒块混合而成，优选的采用单一形状颗粒块组成，比如自由活动模块2全部是球形颗粒块。
84.本实施例中，接口壳体部11可为一端开口的带底壳体，接口封盖部12用于安装在带底壳体的开口端；或者，接口壳体部11设置为两端均开口的壳身结构，壳身结构呈筒状，其两端开口均安装接口封盖部12。
85.本实施例中，接口壳体部11(即其外轮廓形状)可为圆柱型壳体或棱柱型壳体，棱柱型壳体一般为四棱柱壳体，即长方体结构。接口空腔部13的腔壁可为圆柱面或棱柱面，棱柱面一般为四棱柱面，即长方体结构。接口封盖部12可为圆形盖或矩形盖。接口壳体部11的外轮廓形状、接口空腔部13的形状以及接口封盖部12的形状可以采用完全一致的形状设置(比如：接口壳体部11为长方体结构、接口空腔部13为长方体结构、接口封盖部12为矩形盖)，也可以采用不一致的形状设置(比如：接口壳体部11为圆柱型结构、接口空腔部13为长方体结构、接口封盖部12为矩形盖)。具体参阅图2-1、2-2、2-3所示。
86.本实施例中，约束活动模块3的形状(外轮廓形状)与接口空腔部13的形状相同；活动空腔部32的形状可为圆柱型或棱柱型。
87.本实施例中，第一弹性模块4可为弹簧、实心弹性柱、或者空心弹性柱，第二弹性模块5可为弹簧、实心弹性柱、或者空心弹性柱。
88.本实施例中，第一弹性模块4、第二弹性模块5的数量应大于等于一，例如1、2、4个。并且，当第一弹性模块4、第二弹性模块5的设置数量大于等于2个时，优选均匀排布。
89.本实施例中，自由活动模块2中任意一球形颗粒块的外围可包覆有第一缓冲弹性层35，活动空腔部32的外部可包覆有第二缓冲弹性层36，第一缓冲弹性层35和第二缓冲弹
性层36可同时设置，也可择一布置。自由活动模块2中也可每间隔一个球形颗粒块，在球形颗粒块上设置一层第一缓冲弹性层35，确保任意相邻两个球形颗粒块之间存在缓冲弹性层即可。关于活动空腔部32的外部包覆的第二缓冲弹性层36，其可以直接贴附活动空腔部32的外壁设置，此时第二缓冲弹性层36嵌置于第一约束刚体部和第二约束刚体部内。第二缓冲弹性层36也可包覆在整个约束活动模块3的外壁。上述第一缓冲弹性层35和第二缓冲弹性层36可为硅橡胶、泡沫、聚合物等。
90.本实施例中，非线性结构单元7可以是独立形式的，也可以是并联和/或串联的超元胞形式(参阅图10-1、10-2、10-3)。
91.本实施例还提出一种包含上述非线性结构单元7的低频宽带降噪超材料结构100，低频宽带降噪超材料结构100包括非线性结构单元7和基体部件8。基体部件8包括基体板壳81，非线性结构单元7按预定排布方式连接于基体板壳81上(可以在板壳表面，也可以嵌于板壳面内)，或按预定方式镶嵌于两层基体板壳81之间，其中，非线性结构单元7优选以阵列形式分布。
92.本实施例中，非线性结构单元7的个数应大于等于二，每个非线性结构单元7的各个组成装置可以相同，或者按照预定的方式变化。
93.本实施例中，基体部件8可为均质梁/板结构、均质梁/板结构加横条82和/或框肋83构成加筋梁/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，基体部件8根据实际情况可为安装壁面。
94.本实施例中，低频宽带降噪超材料结构100和支座9组合可构成力学超材料隔振器，所述力学超材料隔振器的层数应大于二。一般情况下，具有两层基体板壳81的低频宽带降噪超材料结构100设置于端部，即最底层或最顶层，具有两层基体板壳81的低频宽带降噪超材料结构100的靠外的一层基体板壳81可作为安装壁面。
95.本实施例中，第一弹性模块4、第二弹性模块5可由硅胶、橡胶、弹簧钢、塑料等材料之一制成，约束活动模块3可由铜、钢、铝、钛合金、石材等材料之一制成，自由活动模块2可由钢、铜、石材、pvc、硅橡胶等材料之一制成，接口壳体部11可为亚克力、铁、钢、铝、铜、pvc等材料之一制成。
96.本实施例提出的上述非线性结构单元及包含它的低频宽带降噪超材料结构，包括接口模块、自由活动模块、约束活动模块、第一弹性模块、第二弹性模块、振子组合体；其中，接口模块主要支撑振子组合体，提高振子组合体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；第一弹性模块、第二弹性模块为振子组合体提供主刚度，并为非线性结构单元的运动提高导向作用；约束活动模块为振子组合体提供主质量并作为主运动体，同时起限制自由活动模块运动范围的作用；自由活动模块主要发挥主冲击体作用，同时还给振子组合体提供次质量并充当次运动体，同时其还充当主冲击体作用；接口封盖部用于给振子组合体提供安装进出口，同时作为观察和检修接口。外部载荷通过接口模块进入非线性结构单元时，带动非线性结构单元运动，当其运动的频率接近振子组合体的共振频率时，会引发其局部动态共振效应，导致其发生剧烈运动，而剧烈运动的振子组合体会带动自由活动模块、约束活动模块运动，使得约束活动模块、自由活动模块的动态质量放大，而经过放大了的自由活动模块会与约束活动模块发生碰撞冲击，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。
97.通过调节第一弹性模块、第二弹性模块的尺寸、材料弹性参数，或调整约束活动模块、自由活动模块的尺寸、材料密度，可以达到调整声学微振子单元共振频率的目的；减小第一弹性模块、第二弹性模块的弹性模量，增加约束活动模块、自由活动模块的厚度，均可将其中心共振频率调向高频。
98.综上所述，本技术方案公开的非线性结构单元及包含它的低频宽带降噪超材料结构，其在不需要增加结构重量的情况下，轻松了实现质量和阻尼双重放大，显著拓宽低频吸波频带，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、整体刚度大、鲁棒性好、成本低廉的优点。
99.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
100.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。