一种非接触式主动调控的超构材料梁结构

1.本发明属于隔振技术领域，具体涉及一种非接触式主动调控的超构材料梁结构。


背景技术：

2.超构材料是一种具有特殊性能的人造工程材料，通过将几种结构单元组合排列，在基体材料中引入谐振器，能够显著改变材料的动态响应性能，使其具备自然材料所不具备的物理性能。超构材料具有负能量密度、负弹性模量、负泊松比等物理特性，能够阻断波的传播。
3.弹性波在声学超构材料中传播时，超构材料的特殊结构对特定频率范围内的弹性波起到了抑制作用，这一特定范围被称为带隙。声学超构材料能够通过人工设计微结构(谐振器)单元周期性排列，使其具有弹性波调控特性，对特定频率范围的弹性波进行抑制，在低频减振，降噪等方面有极大的研究价值。声学超构材料的带隙调控方式有两种：被动调控和主动调控。
4.被动调控一般指纯机械共振组合，带隙通常是不可调节的，带隙频率范围是固定的，在很多应用场合受到限制。因此，现有研究中常常引入具有动态特性的智能材料(压电智能材料)进入超构材料中，利用智能材料的电学、磁学、光学等方面的特性，当智能材料的某项性质发生改变时，往往能够实现超构材料的等效材料参数(如等效弹性模量、等效质量)发变化，产生不同的带隙区间，从而实现带隙的主动可调。然而，现有的压电智能材料应用到超构结构中，能够打开的带隙范围较窄，而且需要外接电路，才能够实现带隙的调控，限制了其应用。磁致伸缩材料应用到超构结构中，需要施加强磁场的环境，对环境要求较高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种非接触式主动调控的超构材料梁结构，本发明提供的超构材料梁结构能够打开低频带隙，并能够实现非接触式控制的带隙主动可调。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供了一种非接触式主动控制超构材料的梁结构，包括若干个周期性排列的谐振单元体，每个谐振单元体组成上包括基体1和振子材料；所述振子材料包括螺吡喃掺杂eva膜2和振子3。
7.所述基体1的材质包括金属。
8.优选地，所述振子3的材质包括金属。
9.优选地，所述梁结构包括薄膜型超构材料梁结构、环绕型超构材料梁结构或弹簧型超构材料梁结构。
10.优选地，所述薄膜型超构材料梁结构的每个谐振单元体包括具有中心空腔的基体，所述螺吡喃掺杂eva膜2平铺于所述基体的上方，所述振子位于螺吡喃掺杂eva膜2的表面。
11.优选地，所述环绕型超构材料梁结构的每个谐振单元体包括具有中心空腔的基体
1，所述振子材料置于中心空腔中；所述振子材料包括振子3以及包裹所述振子3的螺吡喃掺杂eva膜2。
12.优选地，所述弹簧型超构材料梁结构的每个谐振单元体包括实心基体，所述螺吡喃掺杂eva膜2位于所述实心基体1的上部，所述振子3位于螺吡喃掺杂eva膜2的上部；所述螺吡喃掺杂eva膜2的上表面同振子3底部重合。
13.本发明提供了一种非接触式主动调控的超构材料梁结构，包括若干个周期性排列的谐振单元体，每个谐振单元体组成上包括基体(1)和振子材料；所述振子材料包括螺吡喃掺杂eva膜2和振子3。螺吡喃掺杂eva膜是一类光致形状记忆聚合物，螺吡喃掺杂eva膜在紫外光照射下会发生光化学反应，杨氏模量增大，而在可见光下会恢复到初始杨氏模量。因此，通过紫外光照射超构材料梁结构，可以改变螺吡喃掺杂eva膜的刚度，进而得到不同频率范围内的能带隙。振子是具有谐振作用的质量块，螺吡喃掺杂eva膜作为“弹簧结构”，连接振子与基体共同组成谐振单元体，当弹性波的能量接近于谐振单元体的固有频率时，弹性波的能量转化为“弹簧”的弹性势能，能量被“储存”起来，以达到吸收弹性波，阻止弹性波的传播，从而达到减振的作用。
附图说明
14.图1为薄膜型梁结构的谐振单元体的主视示意图；
15.图2为环绕型梁结构的谐振单元体的俯视示意图；
16.图3为弹簧型梁结构的谐振单元体的主视示意图；
17.图4为弹簧型梁结构的谐振单元体谐振单元体的俯视示意图；
18.图5为超构材料测试梁的仿真模型图；
19.图6为超构材料测试梁的实验传递曲线图。
具体实施方式
20.本发明提供了一种非接触式主动调控的超构材料梁结构，包括若干个周期性排列的谐振单元体，每个谐振单元体包括基体1和振子材料；所述振子材料包括螺吡喃掺杂eva膜2和振子3。
21.在本发明中，所述基体1的材质优选包括金属，更优选为铝合金。
22.在本发明中，所述谐振单元体的个数优选≥5。
23.在本发明中，所述振子3的材质优选同基体1相同。
24.在本发明中，对螺吡喃掺杂eva膜的制备不作具体限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制备得到即可。
25.在本发明中，所述超构材料梁结构包括薄膜型超构材料梁结构、环绕型超构材料梁结构或弹簧型超构材料梁结构。
26.本发明提供的薄膜型超构材料梁结构的主视图如图1所示，其中，1为基体，2为螺吡喃掺杂eva膜，3为振子，4为基体中心空腔。由图1可知：当所述超构材料梁结构为薄膜型超构材料梁结构时，所述螺吡喃掺杂eva膜2平铺于基体1上方；所述振子3位于螺吡喃掺杂eva膜2表面；所述基体为中心空腔基体。
27.在本发明中，当所述梁结构为薄膜型超构材料梁结构时，对所述基体的尺寸不作
具体限定，本发明实施例中具体优选为长3cm，宽3cm，厚0.5cm的基体。在本发明中，所述基体1为中心空腔基体，所述中心空腔基体优选为柱状中空腔基体。在本发明中，所述基体中心空腔4的半径具体优选为1cm。
28.在本发明中，当所述梁结构为薄膜型超构材料梁结构时，对所述螺吡喃掺杂eva膜2的尺寸不作具体限定，本发明实施例中所述螺吡喃掺杂eva膜2的具体尺寸为长3cm，宽3cm，厚0.1cm。在本发明中，所述螺吡喃掺杂eva膜2优选平铺于基体1上方。
29.在本发明中，当所述梁结构为薄膜型超构材料梁结构时，对所述振子的尺寸不作具体限定，本发明实施例中具体优选为长1cm，宽1cm，高1cm。在本发明中，所述振子3优选位于螺吡喃掺杂eva膜表面2。
30.本发明提供的环绕型超构材料梁结构的的俯视图如图2所示，其中，1为基体，2为螺吡喃掺杂eva膜，3为振子。由图2可知：当所述梁结构为环绕型超构材料梁结构时，所述基体1为中心空腔基体；所述振子材料优选置于基体的中心空腔中；所述振子材料包括振子3以及包裹振子的螺吡喃掺杂eva膜2。
31.在本发明中，当所述梁结构为环绕型梁结构时，对所述基体的尺寸不作具体限定，本发明实施例中具体优选为长3cm，宽3cm，厚0.5cm的基体。在本发明中，所述基体1为中心空腔基体，所述中心空腔优选为柱状中心空腔。在本发明中，所述柱状中心空腔的直径具体优选为1cm。
32.在本发明中，当所述梁结构为环绕型超构材料梁结构时，所述振子材料优选置于中心空腔中；所述振子材料包括振子3以及包裹振子的螺吡喃掺杂eva膜2。在本发明中，所述螺吡喃掺杂eva膜3优选为环状结构，所述环状结构的外半径优选为1cm，内半径优选为0.5cm。
33.本发明提供的弹簧型超构材料梁结构的的主视图如图3所示，其中，1为基体，2为螺吡喃掺杂eva膜，3为振子。由图3可知：当所述超构材料梁结构为弹簧型超构材料梁结构时，所述基体1为实心基体，所述螺吡喃掺杂eva膜2位于基体1上部，所述振子3位于螺吡喃掺杂eva膜2上部。
34.本发明提供的弹簧型超构材料梁结构的的俯视图如图4所示，其中，1为基体，3为振子。
35.在本发明中，当所述梁结构为弹簧型超构材料梁结构时，对所述基体的尺寸不作具体限定，本发明实施例中具体优选为长3cm，宽3cm，厚0.5cm的基体。所述基体优选为实心基体。
36.在本发明中，当所述梁结构为弹簧型超构材料梁结构时，所述螺吡喃掺杂eva膜2优选位于基体1上部。所述螺吡喃掺杂eva膜2的上表面同振子3底部重合。
37.在本发明中，当所述梁结构为弹簧型超构材料梁结构时，所述振子3优选位于所述螺吡喃掺杂eva膜2的上部。
38.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限制。
39.实施例1
40.薄膜型的超构材料梁结构，如图1所示：所述梁结构包括基体和振子材料；所述振子材料包括螺吡喃掺杂eva膜和振子。所述基体中心为柱状中空腔。所述螺吡喃掺杂eva膜
平铺于基体上方；所述振子位于螺吡喃掺杂eva膜表面。
41.所述基体的材质为铝合金；所述基体的尺寸为长3cm，宽3cm，厚0.5cm；所述中空腔的半径为1cm。所述螺吡喃掺杂eva膜的尺寸为长3cm，宽3cm，厚0.5cm。所述振子的尺寸为长1cm，宽1cm，高1cm。
42.实施例2
43.环绕型的超构材料梁结构，如图2所示：所述梁结构包括基体和振子材料；所述振子材料包括螺吡喃掺杂eva膜2和振子3。基体为柱状中空腔基体；所述中空腔设置振子材料；所述振子材料包括振子3以及包裹振子的螺吡喃掺杂eva膜2。
44.所述基体的的材质为铝合金；所述基体的尺寸为长3cm，宽3cm，厚0.5cm。所述柱状中空腔的直径为1cm。所述螺吡喃掺杂eva膜为环状结构，所述螺吡喃掺杂eva膜的外半径优选为1cm，内半径优选为0.5cm。
45.实施例3
46.弹簧型的超构材料梁结构，如图3所示：所述梁结构包括基体和振子材料；所述振子材料包括螺吡喃掺杂eva膜2和振子3。所述基体的中心为实心基体，所述螺吡喃掺杂eva膜2位于基体1上部，所述振子3位于螺吡喃掺杂eva膜2上部。
47.所述基体的的材质为铝合金；所述基体1的尺寸为长3cm，宽3cm，厚0.5cm。所述螺吡喃掺杂eva膜的尺寸为长1cm，宽1cm，厚0.5cm。所述螺吡喃掺杂eva膜的上表面同振子底部重合。
48.本发明将实施例1得到的薄膜型梁结构一维排列组合构成1
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5周期的超构材料梁结构(记为超构材料测试梁)行振动频响实验分析，图5为超构材料测试梁的仿真模型图，振动测试系统主要包含电脑、动态数据采集仪、功率放大器、激振器和传感器。具体实验步骤如下：
49.将超构材料测试梁一端固定到激振器上，分别在超构材料测试梁的固定端和自由端放置加速度传感器，分别测量超构材料测试梁的输入和输出信号。在动态信号测试分析系统中设置线性扫频激励，通过功率放大器驱动激振器，激振器将振动沿面外方向对超构材料测试梁进行激励，振动以弹性波的形式在模型中传播。通过动态数据采集仪采集输入输出信号并进行频响分析。
50.在未施加uv光照时，对超构材料测试梁进行扫频实验，得到第一条实验传递曲线。
51.通过使用uv灯照射超构材料测试梁，使其材料性能发生改变。超构材料测试梁中的螺吡喃掺杂eva膜在经过100s的照射后，可以明显发现中空腔上的螺吡喃掺杂eva膜出现张紧，且模量有显著提高的现象。
52.图6为超构材料测试梁的实验传递曲线图，该结构的固有频率为139hz，横坐标为测试频率与固有频率的比值，纵坐标为超构材料测试梁自由端位移与固定端初始位移比值的对数。黑色为uv灯照射前的传递曲线，红色为为uv灯照射后的传递曲线，通过图6可以发现灰色和黄色区域形成衰减带，其传递率小于零，在此频段上超构材料测试梁起到了减振隔振的效果，且光照后带隙范围明显变大，且相对有移动。
53.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。