学术前沿 | 一种刚度连续可调的低频纯金属吸声超材料

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-23 21:48

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针对传统局域共振超材料高环境适应性与深亚波长特性不兼容的问题，以及现有带隙主动控制技术稳定性方面的不足，提出一种刚度连续可调的纯金属减振超材料设计方法。用于宽带弹性波吸收。我们设计了一种双螺旋窄缝纯金属超材料单元，具有高空间紧凑性、低刚度特性和高结构稳定性的三重优势，能够在低频范围内打开弹性弯曲带隙。与滑动变阻器的原理类似，在螺旋狭缝中引入连续滑动的插件可以使超材料单元的刚度连续变化，实现带隙连续可调的效果。这成功地将有效带隙扩大了十倍以上。实验结果表明，该超材料单元可以作为附加减振器，有效吸收低频振动能量。此外，它将超材料吸收器从纯无源窄带设计推进到宽带可调谐设计。纯金属双螺旋超材料保留了超材料的亚波长特性，适合在恶劣环境中部署。同时，通过调整其刚度，它大大拓宽了有效带隙范围，在恶劣条件下运行的各种机械设备中呈现出良好的潜在应用前景。

本文提出了一种具有连续可调谐刚度的宽带弹性波吸收设计方法，该方法保留了轻型特性，扩大了结构的可用带隙范围。该方法将具有高空间紧凑性、低刚度特性、高结构稳定性的对称双螺旋狭缝压缩到金属超材料的薄板组件中，从而能够在低频范围内打开弯曲波带隙。实验结果表明，该结构具有优良的低频振动吸能能力，以较小的附加质量比（小于1%）实现了目标频率的有效衰减，达到78.5%，低频波峰均有明显的衰减。此外，与滑动变阻器的原理类似，在螺旋狭缝中引入连续滑动插件可以使超材料单元的刚度连续变化，从而实现了超材料中带隙范围的连续可调性。根据调谐结果，超材料的有效带隙范围可扩大14倍，从最初的60.5Hz-74.1Hz扩大到60.5Hz-250.3Hz，带隙宽度从13.6 Hz扩大到189.8 Hz，调整的放大效果良好。该方法解决了高环境适应性和深度亚波长特性之间的不相容性，以及从无源窄带设计到宽带可调谐设计的过渡。它在机械设备在各种恶劣条件下的低频、多频振动的衰减方面具有广泛的工程应用价值。

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