压电超材料单元设计及在弹性梁减振中的应用*
吴亦源 秦卫阳 徐佳文 吴沁娱 王平
(1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)(2.西北工业大学，西安 710072)(3.东南大学，南京 211189)(4.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002)
振动对于机械的性能与安全影响很大.以旋转机械为例，由于存在临界转速，很小的不平衡就会产生很大的振动，其振动控制十分必要.20世纪90年代初，一些学者发现并证明了晶体中弹性波带隙的存在[1，2]，提出了声子晶体概念[3]，并通过实验验证了弹性波带隙的存在[4].超材料的性质主要由其结构决定，具有某些超常规的特性，例如：负等效质量或密度[5]、负折射率[6,7]、完美吸收等[8,9].
Liu等[10]在2000年提出了局域共振型声子晶体，将被硅橡胶包裹住的铅球放入环氧树脂中，实现了负的等效密度，最终形成带隙.Yang等人[11]提出了薄膜型超材料，将嵌有质量块的薄膜固定在硬质框架上，实现了200～300 Hz内的负等效质量.Mei等人[12]提出了一种由弹性薄膜和附在其上的对称刚性薄板组成的超材料，实现了多个频段对弹性波的吸收.除此以外，还有许多学者设计了诸如复合平板型超材料[13]、悬臂梁型超材料[14]、薄膜圆柱型超材料[15]等多种超材料模式，以满足不同环境和不同行业的需要.
虽然薄膜-质量块型超材料有着实现方便的特点，但对于复杂、间隙很小的结构，此类超材料的使用受到限制，而且薄膜存在老化问题，会影响超材料的可靠性，针对这种情况，出现了基于压电原理和压电分流阻尼的压电超材料，利用电感-压电换能器耦合所产生的LC局部共振现象来实现频率带隙.Chen等[16]通过在梁上附加压电片，通过调节内部参数，实现了超材料带隙的可调性，并得出了初步结论；
张浩等[17]通过引入负电容电路、多模态电路以及多种元胞的设计，提出了一种可以展宽超材料带隙的方法；
陈圣兵等[18,19]分析了杆局域共振带隙的形成机理，并对分流电路中元件参数变化对带隙的影响进行了研究，为超材料带隙的主动调控提供了一种新方法.李夏临等[20]提出了一种二维平面陀螺超材料结构，建立了其动力学方程，分析了其带隙特性和色散关系，证明了二维平面陀螺超材料结构对于扭转振动有很好的抑制作用.王伟能等[21]发现，对于三角陀螺超材料结构，通过陀螺转速的调节，可以控制结构的带隙.研究结果表明，波在带隙频段内受到很好的抑制.刘杰等[22]提出了D型和I-WP型三重周期极小曲面夹芯结构，并研究了其隔声效果.由理论分析与实验结...
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