阅读说明：本技术 一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁 (Variable cross-section acoustic metamaterial beam with two-degree-of-freedom local resonance unit ) 是由 温舒瑞 李凤明 熊远皓 郝帅民 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁,属于机械振动和噪声控制技术领域,主要为了解决现有技术中的等截面声学超材料的局域共振带隙带宽窄,导致其减振降噪的有效频率范围小,从而限制了声学超材料在工程实际应用的问题,本发明中所述一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁包括M个阶梯梁组件,M为正整数,M个阶梯梁组件沿长度长方向依次设置,且相邻两个阶梯梁组件之间固定连接,每个阶梯梁组件包括一个阶梯梁主体和一个双自由度局域共振单元,本发明主要应用于声学超材料宽频禁带的减振降噪性能研究。(The invention discloses a variable cross-section acoustic metamaterial beam with a two-degree-of-freedom local resonance unit, which belongs to the technical field of mechanical vibration and noise control and mainly aims to solve the problem that the local resonance band gap of a constant cross-section acoustic metamaterial in the prior art is narrow, so that the effective frequency range of vibration and noise reduction of the constant cross-section acoustic metamaterial is small, and the practical application of the acoustic metamaterial in engineering is limited.)

一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁

技术领域

本发明属于机械振动和噪声控制技术领域，具体涉及一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁。

背景技术

声学超材料是一种具有与自然界中物质迥然相异超常物理性质(负质量密度、负弹性模量等)的局域共振型声子晶体(周期结构)。它能够在结构尺寸的亚波长频带内产生低频局域共振带隙，该特性可实现通过小尺寸结构阻隔低频振动噪声。但传统等截面声学超材料的局域共振带隙带宽窄，导致其减振降噪的有效频率范围小，这一瓶颈极大地限制了声学超材料在工程实际的广泛应用。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的等截面声学超材料的局域共振带隙带宽窄，导致其减振降噪的有效频率范围小，从而限制了声学超材料在工程实际应用的问题，进而提供了一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁。

一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁，所述一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁包括M个阶梯梁组件，M为正整数，M个阶梯梁组件沿长度长方向依次设置，且相邻两个阶梯梁组件之间固定连接；

进一步地，所述阶梯梁组件包括一个阶梯梁主体和一个双自由度局域共振单元，每个双自由度局域共振单元固定连接在一个阶梯梁主体上，相邻两个阶梯梁组件中的阶梯梁主体固定连接；

进一步地，所述一个阶梯梁主体中包括细梁段和粗梁段，细梁段和粗梁段均为长方体，细梁段的一端与粗梁段的一端一体设置，相邻两个阶梯梁主体中前一个阶梯梁主体中粗梁段的另一端与后一个阶梯梁主体中细梁段的另一端固定连接；

进一步地，所述双自由度局域共振单元包括上橡胶柱、一号质量块、下橡胶柱和二号质量块，上橡胶柱、一号质量块、下橡胶柱和二号质量块均为圆柱体，且上橡胶柱、一号质量块、下橡胶柱和二号质量块由上至下依次设置，上橡胶柱的底端与一号质量块的顶端粘接，一号质量块的底端与下橡胶柱的顶端粘接，下橡胶柱的底端与二号质量块的顶端粘接，上橡胶柱的顶端与细梁段的下表面粘接；

进一步地，所述上橡胶柱的端面直径值为L1，细梁段的下表面宽度值为L2，L1＝L2；

进一步地，所述上橡胶柱的端面圆心与细梁段的下表面形心同轴设置；

进一步地，所述上橡胶柱、一号质量块、下橡胶柱和二号质量块的端面直径值相同；

进一步地，所述上橡胶柱的高度小于下橡胶柱的高度；

进一步地，所述二号质量块的高度小于一号质量块的高度；

进一步地，所述M的取值范围为4-10个。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供的装置中的阶梯梁与上橡胶柱粘接面、上橡胶柱与上质量块粘接面、上质量块与下橡胶柱粘接面、下橡胶柱与下质量块粘接面稳固相连，使相应位移协调。将阶梯梁的细梁段下表面宽度设计为与上橡胶柱横截面直径一致的扁平状结构，保证了阶梯梁与局域共振单元粘接牢固可靠。

2、通过本发明设计多组不同参数的阶梯梁结构，有利于研究探索由变截面梁段周期性排列而产生的Bragg带隙和由橡胶柱质量块结构局域共振而产生的局域共振带隙之间的相互作用关系。对于发现新的减隔振技术手段和途径具有重要的理论和实际意义。

3、基于对本发明变截面声学超材料梁带隙特性分析结果发现，变截面设计可以大幅增加Bragg带隙的宽度和数量，促进Bragg带隙和局域共振带隙的融合，并有效展宽局域共振带隙的宽度，从而突破局域共振带隙带宽窄的瓶颈，达到优良的减隔振效果。

4、本发明结构简单，制作方便，造价低廉，为科研节约经费。

附图说明

图1为本发明的轴侧图；

图2为本发明的仰视图；

图3为本发明的主视图；

图4为本发明的俯视图；

图5为本发明中阶梯梁组件的轴侧图；

图6为本发明中阶梯梁组件的仰视图；

图7为本发明中阶梯梁组件的主视图；

图8为本发明中阶梯梁组件的俯视图；

图9为本发明中阶梯梁组件的左视图；

图10为本发明的局域共振带隙展宽效果图。

图中1阶梯梁主体、11细梁段、12粗梁段、2双自由度局域共振单元、21上橡胶柱、22一号质量块、23下橡胶柱和24二号质量块。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，所述一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁包括M个阶梯梁组件，M为正整数，M个阶梯梁组件沿长度长方向依次设置，且相邻两个阶梯梁组件之间固定连接。

本实施方式中当阶梯梁组件的长度、横截面尺寸比、细梁段与粗梁段的长度比固定时，可设计阶梯梁组件中的多种结构参数的橡胶柱和质量块粘接成不同的局域共振单元，调节局域共振单元的固有频率，进而改变局域共振带隙的位置，通过局域共振带隙和Bragg带隙的相互作用实现局域共振带隙的展宽；当局域共振单元结构参数固定时，可设计不同单胞长度、横截面尺寸比，细梁段与粗梁段的长度比，同样可以实现对局域共振带隙的展宽。

具体实施方式二：结合图5和图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一中的阶梯梁组件作进一步限定，本实施方式中，所述阶梯梁组件包括一个阶梯梁主体1和一个双自由度局域共振单元2，每个双自由度局域共振单元2固定连接在一个阶梯梁主体1上，相邻两个阶梯梁组件中的阶梯梁主体1固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中相邻两个阶梯梁组件中的阶梯梁主体1固定连接方式为粘接，如此设置便于根据实验或实际应用时适当增减阶梯梁组件的个数，同时粘接在保证牢固的同时不会改变阶梯梁主体1的材料性质，还会对连接处保留一定的微量缓冲区域，避免阶梯梁超负荷时直接断裂，破坏单个阶梯梁组件。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的阶梯梁主体1作进一步限定，本实施方式中，所述一个阶梯梁主体1中包括细梁段11和粗梁段12，细梁段11和粗梁段12均为长方体，细梁段11的一端与粗梁段12的一端一体设置，相邻两个阶梯梁主体1中前一个阶梯梁主体1中粗梁段12的另一端与后一个阶梯梁主体1中细梁段11的另一端固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的双自由度局域共振单元2作进一步限定，本实施方式中，所述双自由度局域共振单元2包括上橡胶柱21、一号质量块22、下橡胶柱23和二号质量块24，上橡胶柱21、一号质量块22、下橡胶柱23和二号质量块24均为圆柱体，且上橡胶柱21、一号质量块22、下橡胶柱23和二号质量块24由上至下依次设置，上橡胶柱21的底端与一号质量块22的顶端粘接，一号质量块22的底端与下橡胶柱23的顶端粘接，下橡胶柱23的底端与二号质量块24的顶端粘接，上橡胶柱21的顶端与细梁段11的下表面粘接。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。

本实施方式中双自由度局域共振单元2区别与普通的振子增加了质量块的数量，并且在质量块之间设有橡胶柱连接，如此设置更有利于研究探索由变截面梁段周期性排列而产生的Bragg带隙和由橡胶柱质量块结构局域共振而产生的局域共振带隙之间的相互作用关系。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的上橡胶柱21和细梁段11作进一步限定，本实施方式中，所述上橡胶柱21的端面直径值为L1，细梁段11的下表面宽度值为L2，L1＝L2。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中将阶梯梁的细梁段下表面宽度设计为与上橡胶柱21横截面直径一致的扁平状结构，保证了阶梯梁与局域共振单元粘接牢固可靠。

具体实施方式六：结合图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的上橡胶柱21和细梁段11作进一步限定，本实施方式中，所述上橡胶柱21的端面圆心与细梁段11的下表面形心同轴设置。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的上橡胶柱21、一号质量块22、下橡胶柱23和二号质量块24作进一步限定，本实施方式中，所述上橡胶柱21、一号质量块22、下橡胶柱23和二号质量块24的端面直径值相同。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的上橡胶柱21和下橡胶柱23作进一步限定，本实施方式中，所述上橡胶柱21的高度小于下橡胶柱23的高度。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一号质量块22和二号质量块24作进一步限定，本实施方式中，所述二号质量块24的高度小于一号质量块22的高度。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

本实施方式中，一号质量块22和二号质量块24的高度不同，截面积相同，即一号质量块22和二号质量块24的质量不同，如果设置相同的质量块会影响橡胶柱质量块结构局域共振而产生的局域共振带隙变化的显著性。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的阶梯梁组件的个数作进一步限定，本实施方式中，所述M的取值范围为4-10个。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

基于上述具体实施方式设计了三种单胞长度的变截面声学超材料梁，单个阶梯梁组件的长度取值分别为0.35m、0.265m和0.257m，并的通过仿真实验得到了局域共振带隙展宽效果图，如附图10所示：(a)曲线对应单个阶梯梁组件的长度为0.35m，(b)曲线对应单个阶梯梁组件的长度为0.265m，(c)曲线对应单个阶梯梁组件的长度为0.257m，由图10可见，随着单个阶梯梁组件长度的减小，位于212-258Hz频段的Bragg带隙由低频向局域共振带隙趋近，从而极大地展宽了该图位于351-407Hz和426-617Hz两个局域共振带隙的宽度，有效提升了该超材料梁的减隔振能力，同时也突破了局域共振带隙带宽窄的瓶颈。本发明所设计的变截面声学超材料梁局域共振单元容易拆卸，便于和不同的阶梯梁灵活组合获得不同的减隔振特性。本发明各结构件用料均为常用工程材料，经济可行。