一种低频减振超材料的制作方法

本发明属于减振超材料领域，具体涉及一种低频减振超材料。本发明涉及的减振超材料能够实现超低的减振带隙，并且在带隙范围内具有优异的振动抑制和减振性能。

背景技术：

振动与噪声无处不在，现在工业生产、交通、基础建设等产生的大量的噪声与振动，对设备的正常工作和人民的生活造成了巨大的影响，甚至是危害。振动与噪声的抑制和消除技术是保证机械加工测量精度，武器装备保持正常功能，确保设备工作性能、服役寿命等的共性关键基础技术。

传统的减振技术发展已经相当成熟，随着超材料技术的不断发展，新的振动抑制和消除手段不断涌现。减振超材料的减振机理是通过其带隙特征实现的，在带隙频带范围内，机械波的振动将被吸收和阻断，从而实现减振作用。带隙的形成机制包括布拉格散射机理和局域共振机理，布拉格散射形成的带隙与单胞尺寸密切相关，且其波长的抑制与其单胞尺度在一个数量级，因此如果通过布拉格散射来获得低频带隙，将导致异常庞大的晶格尺寸，因此在实际中受到了巨大的局限。而通过局域共振获得低频带隙，其带隙频率与元胞共振的频率基本一致，这为低频减振提供了良好的思路和途径。当前众多学者对减振超材料展开了研究，虽然大量的声学减振超材料被提出，但由于其带隙频率都在数百赫兹，甚至在数千赫兹，显然并不适用于低频减振。名称为“一种低频减振超材料复合阻尼板”(申请公布号：cn105882022b)的专利提出了一种低频减振超材料复合阻尼板，其原理也是通过在复合阻尼板中布置大量的局域共振元胞，通过局域共振元胞的共振质量发生共振，并且粘弹性薄膜阻尼层将振动能耗散，从而实现减振。但是受限于中间层刚度的限制，局域共振元胞的固有频率很难实现低频率，因此对于低频、超低频的振动衰减依然十分困难。同时，实现减振超材料的低频带隙和低频减振仍然是减振超材料公认和急需解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超低带隙频率、高振动衰减性能以及宽频带的减振超材料。相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明可以实现数十赫兹甚至数赫兹的低频减振带隙，可隔离低频振动和噪声；

2.本发明提出的减振超材料具有高阻尼特性，具有宽频减振性能和良好的减振效果。

附图说明

图1为本发明提出的超低频减振超材料整体结构和外观示意图。

图2为本发明提出的第一种实施方案的局域共振元胞的剖视图及其磁化方向配置示意图。

图3为本发明提出的第二种实施方案的局域共振元胞的剖视图以及磁化方向配置方式一的示意图。

图4为本发明提出的第二种实施方案的局域共振元胞的剖视图以及磁化方向配置方式二的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明提出的低频减振超材料的外观示意图如图1所示。如图2所示，本发明提出的一种超低频带隙减振超材料其包括基体板5，在所述基体板5上开设有周期阵列圆孔。在每一个圆孔中，都安装有一个外部环形永磁体4，所述外部环形永磁体4与基体板5固连。所述外部环形永磁体4内侧安装有一个金属环3，金属环3与外部环形永磁体4固定连接。在金属环3的圆心位置安装有圆柱形永磁体2，圆柱形永磁体2与导体金属环3通过环形弹性膜1连接，圆柱形永磁体2可以在金属环3的中心沿轴线方向振动。外部环形永磁体4、金属环3、环形弹性膜1、圆柱形永磁体2构成了减振超材料的一个局域共振元胞，通过局域共振元胞在基体板5中周期阵列圆孔中的阵列从而构成减振超材料。

如图3所示，在提出的减振超材料的局域共振元胞中，所述圆柱形永磁体2的沿轴向充磁，上表面为n极，下表面为s极；外部环形永磁体4同样沿轴向充磁，其充磁方向与圆柱形永磁体2的充磁方向一致。通过外部环形永磁体4和圆柱形永磁体2充磁方向的匹配，外部环形永磁体4和圆柱形永磁体2之间通过磁场的相互作用，永磁体之间将在外部环形永磁体4的轴线方向表现出负刚度力学特性。而环形弹性膜1在外部环形永磁体4和圆柱永磁体2之间表现出正刚度特性。环形弹性膜1的正刚度特性和外部环形永磁体4和圆柱形永磁体2之间的负刚度二者为并联关系，通过正负刚度并联使得局域共振元胞将呈现近零刚度特性，从而显著降低其共振的固有频率，从而可以实现减振超材料的低频、超低频带隙特征。

当减振超材料在外界振动激励下产生振动时，圆柱形永磁体2与外部环形永磁体4之间在轴线方向发生相对位移，此时会导致外部环形永磁体4与圆柱形永磁体磁2之间的磁场发生变化，而金属环3处在变化的磁场中，将会在导体金属环3上产生电涡流，形成涡流阻尼并将振动能转化为金属环3上的热能，从而进一步增强局域共振元胞的阻尼性能，显著地提升减振超材料的带隙宽度和振动衰减性能。

图3和图4为减振超材料的第二种实施方式的局域共振元胞的剖视图。在这种实施方式中，与第一种实施方式的区别在于，将第一种实施方案中的圆柱形永磁体2换成了内部环形永磁体6，同时有别于第一种实施方案中圆柱形永磁体2和外部环形永磁体4的轴向磁化，内部环形永磁体6和外部环形永磁体4两者的磁化方向均改为径向，同时两者的磁化方向相反。在这种配置方式下，内部环形永磁体6和外部环形永磁体4之间也将产生负刚度力学特性。同样的，当减振超材料在外界振动激励下产生振动时，内部环形永磁体6与外部环形永磁体4将发生相对位移，此时会导致环形永磁体4与内部环形永磁体6之间的磁场发生变化，而金属环3处在变化的磁场中，在金属环3上产生电涡流，从而形成涡流阻尼，从而将振动能转化为导体金属环3上的热能，从而进一步增强局域共振元胞的阻尼性能，提升减振超材料的带隙宽度和振动衰减性能。

在实际应用中，可根据工程需求实现的带隙特征对本发明中局部减振元胞的外部环形永磁体4、圆柱形永磁体2（内部环形永磁体6）的几何尺寸、磁化强度等进行设计以及金属环3的几何尺寸、电学参数进行设计和选择，同时对局域共振元胞排列方式、参数等进行设计从而实现预期的低频减振性能。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明技术方案进行的修改或者等同替换，不能脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明权利要求范围当中。

技术特征：

技术总结
本发明提出了一种低频减振超材料，它包括基体板，基体板上开设有孔阵列，在每一个孔中都安装有一个外部环形永磁体，外部环形永磁体与基体板固连，在外部环形永磁体内侧安装有一个金属环，该金属环与外部环形永磁体固连。在每一个外部环形永磁体的圆心位置还安装有一个圆柱形永磁体，该圆柱形永磁体与所述金属环通过环形弹性膜连接。外部环形永磁体、金属环、环形弹性膜、圆柱形永磁体等构成了减振超材料的一个局域共振元胞，通过局域共振元胞在基体板中周期阵列圆孔中的阵列从而构成减振超材料。本发明提出的低频减振超材料兼具超低频带隙及高阻尼低频吸振性能，具有带隙频率低、减振带隙宽、低频衰减能力强、易于实现低频振动衰减等突出优，其减振降噪性能与传统减振超材料相比有较大提升，可用于汽车、船舰等设备中低频振动与噪声的降低、隔离及消除。

技术研发人员：周振华;夏敦;戴志辉;周民瑞;陈瑞
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2018.12.27
技术公布日：2019.03.22