新型手性局域共振超结构实现更低起始频率与更宽带隙为低频隔振提供新路径

问题:在轨道交通、航空航天、精密制造和大型装备等场景中,低频振动传播远、衰减慢,波长也更长;传统通过加质量或降低结构刚度来隔振的方法,常受空间、重量和强度限制,难以在有限尺寸内同时实现“低频、宽带、强衰减”,工程应用长期受此制约。 原因:近年来,基于“带隙”机理的弹性超结构被视为一种可行突破方向。其中,惯性放大与局域共振能够在不明显增大外形尺寸的情况下改变结构动力学响应。但在质量和刚度约束相同的条件下,常规局域谐振器的共振频率往往难以继续降低,带隙起始频率偏高,带隙宽度及深衰减区间也受限制,导致低频隔振提升有限。 影响:针对此难题,研究提出一种新型手性局域谐振器,并将其集成到间同立构手性惯性放大超结构中,形成“间同立构手性超结构-手性谐振器”方案。结果显示,在结构总质量与刚度保持一致的前提下,集成手性谐振器后,超结构带隙起始频率较搭载传统局域谐振器的方案降低32.3%,带隙归一化宽度提升31.7%;与未集成谐振器的纯间同立构手性超结构相比,带隙起始频率深入降低28.6%。同时,在特定单元周期排布下,振动传输曲线出现双重衰减谷值,使带隙内深衰减区域的归一化宽度较“传统超结构+手性谐振器”的对照方案拓宽45.8%。这意味着,在不额外增加重量与尺寸的情况下,可获得更早起效、覆盖更广的低频隔振区间,为装备轻量化与可靠运行提供了新的设计选择。 对策:机理分析表明,低频带隙形成的关键在于手性构型引发的惯性放大效应。该效应使局域谐振单元在等质量、等刚度条件下获得更低的等效共振频率,从而带动带隙起点下移;在合适的周期排布下,还可形成双重衰减谷值,扩大深衰减区间。研究同时指出,带隙截止频率与局域共振频率存在直接对应关系,可通过调节局域共振频率有效拓展带隙范围。有关结论已通过数值仿真、理论解析与实验测试的交叉验证,提高了方案的可行性与可信度。 前景:业内人士认为,随着高端装备向高精度、高稳定和强约束条件发展,隔振技术将更强调依靠结构本体实现性能提升,而非依赖外部“堆叠”。手性局域共振与间同立构手性超结构的耦合思路,为在质量、尺寸严格受限条件下实现低频宽带隔振提供了可推广的设计路径。后续如能结合工程载荷谱、环境适应性与制造一致性等要求,健全参数快速设计与模块化集成,有望在精密仪器平台隔振、机载设备减振、建筑与桥梁关键部位振动控制等领域推进应用落地。

从实验室探索到工程应用落地,我国科研人员正把基础研究中的新思路转化为解决关键难题的可用方案;这项研究表明,围绕原始创新持续深耕,才能在关键技术领域不断缩小差距,并在部分方向实现从追赶到引领的跨越。