轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构及多功能声振抑制系统

本发明涉及振动与噪声治理新材料、新，具体是一种轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构及多功能声振抑制系统，有望应用于先进交通运载工具(船舶、轨道车辆、航空器、航天器、新能源汽车等)、现代工业工程(输变电站、天然气站、隧道、地铁站等)、智能家居(中央空调、冰箱、洗衣机、新风系统等)的减振降噪控制。

背景技术：

1、大型运输机、豪华游轮、高速列车、精密机床等大国重器，中央空调、输变电站、天然气场站、隧道/地铁站等现代工业工程都在迅猛发展；面临着轻质承载、声力耦合、智能集约等复杂应用环境约束，由此带来的振动与噪声问题日益突出，亟需针对产品特点开展声振控制(减振降噪技术)研究。

2、传统减振降噪技术应用较为广泛，也解决了工程上许多振动和噪声，但其仍然存在一些不足，其中：

3、阻尼减振技术虽然能实现中高频的宽频振动抑制，但其实现高阻尼时需要付出较大的质量代价，此外，其对低频振动问题难以奏效，还存在材料老化等问题；传统吸振技术的作用频率可以很低，但是其作用频带很窄；传统隔振技术具有良好的带隙特性和中高频隔振效果，但是普遍存在尺寸较大的弊端、难以兼顾宽频隔振控制；传统的隔声技术，对中高频能取得较好的控制效果，但受质量定律限制，难以在轻质条件下实现低频噪声的有效隔离。

4、因此，急需发展高性能减振降噪新技术，解决低频、宽带、高效减隔振难题。近年来，前沿材料领域提出和发展的超材料技术为声、力、电磁、热等的超常控制提供了新方法。超材料是指具有人工设计的结构，并呈现出天然材料所不具有的超常物理性质的人工构造材料。力学/声学超材料作为超材料最主流的分支之一，其通过人工序构设计，可以呈现出天然材料所不具有负质量、负模量及负折射、双负等超常静、动力学特性，能够对弹性波和声波实现超常调控，为低频、宽带、高效减隔振控制提供了新途径。超材料一经问世便引起了广大研究学者和工程技术人员的高度关注，并在该研究方向上屡屡取得可喜进展。

5、然而，现有超材料技术研究大多仅关注单一性能，无法满足日益复杂的减振降噪环境要求，对于轻质、耐压、减振、降噪多功能一体化性能设计还尚未开展相关研究，急需发展高性能静/动力学一体化设计新技术，以解决高承载、小尺寸条件下的低频宽带减隔振与降噪多功能一体化设计的难题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足，本发明将声学/力学超材料超常物理效应引入到结构的减振降噪设计中，提供一种轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构及多功能声振抑制系统，从而有效解决如何在高承载、小尺寸条件下实现装备的低频宽带减隔振超材料结构一体化设计的问题，为梁、板、壳等基础工程构件/装置的多功能一体化设计提供具有良好应用前景的解决方案。

2、为实现上述目的，本发明提供一种轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构，包括拉胀谐振模块；

3、所述拉胀谐振模块包括环状结构的拉胀围壁组件，以及覆盖在所述拉胀围壁组件两开口端上的端板，且所述拉胀围壁组件上具有至少一个内凹型面；

4、所述拉胀围壁组件的至少一侧的外壁上设有至少一个连接韧带组件，以用于所述拉胀谐振模块、提供系统刚度以及减振调谐。

5、在其中一个实施例，所述连接韧带组件包括至少一个调谐韧带；

6、当所述连接韧带组件中所述调谐韧带的数量为1个时，所述调谐韧带设在所述拉胀围壁组件的外壁上；

7、当所述连接韧带组件中所述调谐韧带的数量为2个以上时：

8、各所述调谐韧带串联后设在所述拉胀围壁组件的外壁上；或

9、各所述调谐韧带并联设在所述拉胀围壁组件的外壁上；或

10、部分所述调谐韧带串联后，与其它所述调谐韧带并联设在所述拉胀围壁组件的外壁上；其中

11、各所述调谐韧带的形状、材质均相同或均不同或不尽相同。

12、在其中一个实施例，所述调谐韧带为直杆、弧形杆、弯折杆中的一种或多种串联组合。

13、在其中一个实施例，所述连接韧带组件还包括至少一个第一次级调谐模块，所述第一次级调谐模块与部分或全部所述调谐韧带一一对应；

14、所述第一次级调谐模块设在对应所述调谐韧带上，其中，所述第一次级调谐模块包括至少一个第一次级谐振单元，所述第一次级谐振单元包括至少一个第一弱刚度韧带与第一高刚度质量部。

15、在其中一个实施例，所述连接韧带组件还包括至少一个调节装置，所述调节装置与部分或全部所述调谐韧带一一对应；

16、所述调节装置设在所述拉胀围壁组件上，且所述调节装置在所述拉胀围壁组件上具有旋转和/或平移的行程；

17、部分或全部所述调谐韧带的端部连接在对应所述调节装置上，以改变所述调谐韧带的连接刚度，进而调整超材料结构的谐振频率。

18、在其中一个实施例，超材料结构还包括至少一个第二次级调谐模块；

19、所述第二次级调谐模块设在所述拉胀谐振模块内，且所述第二次级调谐模块的两端与所述拉胀围壁组件的内壁和/或所述端板的内壁相连；

20、所述第二次级调谐模块包括至少一个第二次级谐振单元，所述第二次级谐振单元包括至少一个第二弱刚度韧带与第二高刚度质量部。

21、在其中一个实施例，所述拉胀围壁组件为直板组合形式；或

22、所述拉胀围壁组件为弧板组合形式；或

23、所述拉胀围壁组件为直板与弧板组合形式。

24、为实现上述目的，本发明还提供一种声振抑制系统，包括至少两个上述的轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构，各所述轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构呈周期性分布或非周期性分布。

25、在其中一个实施例，声振抑制系统还包括至少一个基体结构，各所述轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构设在一所述基体结构上；或

26、各所述轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构设在两所述基体结构之间。

27、在其中一个实施例，所述基体结构上敷设有辅助功能层，以用于减振和/或吸声和/或隔水和/或隔热。

28、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

29、1.本发明中的轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构及多功能声振抑制系统能够有效地兼顾高承载、小尺寸、宽频减隔振：传统减隔振技术等虽然已针对振动抑制提出一定的减振方案，但大多仅考虑器件的单一性能，对于复杂的工程环境所要求的多功能属性往往通过叠加多个功能单元来逐一满足，并不适用于现有轻质薄层的工程背景。而本发明基于负泊松比结构的“压阻效应”，构建出了一类基于局域共振理论及霍姆赫兹隔声原理的轻质、高承载、宽频减振及精准隔声的超材料板结构。一方面，这类型板超材料板结构可利用其独特的“负泊松比”几何外形来平衡整个装置的压力与张力，即当受外部载荷作用时，所受的作用力会沿负泊松比构型轮廓分散到整个装置表面，可有效平衡装置中的压力与张力，防止器件因局部过载而损坏，提高承载效能。另一方面，基于局域共振理论，设计了亚波长谐振结构，基体中的长波行波特性与周期局域谐振结构的耦合作用，有效抑制了宽频振动波的传播，可实现较小尺寸获得超低频带隙，提升了空间利用率，同时降低尺寸效应带来的负面影响。

30、2.本发明中的轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构及多功能声振抑制系统，在基础构型减隔振基座设计基础下，可基于超低频特性、超宽频特性、强衰减特性为导向，通过分别基于等效“质量-弹簧”设计、多频谐振理论及带隙耦合理论进行特殊优化设计分别得到多种优化模型，通过改变单胞结构参数，实现了上述特性。通过对基于多理论融合的多功能超材料板结构在超低频、超宽频、强衰减减振性能的优化，提高了多功能装置及系统的减振性能，对其在实际工程应用中有重要价值。

31、3.本发明中的轻质、耐压低频宽带减隔振超材料结构及多功能声振抑制系统，整体结构简单，易于加工，便于工程化应用。同时结构设计域度广，可调参数多，可根据工程环境需要与目标频段需求进行快速设计与调整，并可结合遗传算法、神经网络等人工智能技术，进行多目标优化设计与智能控制。