[发明专利]一种弹性波汇聚装置及其用途

说明书

本发明提供了一种弹性波汇聚装置及其用途。该汇聚装置具有空心圆柱体形状；并且，该汇聚装置由非均匀横观各向同性材料制成，其轴向的任一横截面由多个微元组成，将该多个微元中每一个微元等效为均匀材料，则该每一个微元的材料参数满足：(1)所有微元的等效密度均相等：(2)所有微元的面内等效泊松比彼此相等且趋近于1；(3)每一个微元的面内等效剪切模量与该微元的中心点距该横截面的圆心的距离的平方成正比例关系；如此，从该汇聚装置的外圆环表面以任意角度传入的弹性波，将沿着该汇聚装置的内部传输并汇聚到该汇聚装置的内圆环表面，以实现对弹性波的吸收。该汇聚装置可应用于建筑物减振、地铁振动信号隔离、交通工具缓冲减振。

技术领域

本发明涉及减振吸能技术领域，特别是一种弹性波汇聚装置及其用途。

背景技术

交通工具的出现方便了人们的生活，但与此相伴的振动、噪声问题却带来了负面的影响，例如地铁经过时的振动、夜晚公路上重型卡车的振动等等。同样，这些振动也会对设备(尤其是精密仪器)造成伤害，地震更是会对建筑物甚至重要的储备资源带来灾难性的破坏。公路的不平整对车辆造成的振动会损伤车内的运载物品。飞机着陆时地面对起落架的冲击，如果缺乏有效的缓冲减振，也会传播到整个机体，影响机体的寿命。

所有的这些振动或冲击问题都和弹性波有关。在目前的弹性波减振技术中，弹簧阻尼减振器是最常见的减振手段之一。但是，在低频弹性波的减振环境中，由于低频弹性波的波长较大，弹性波可能发生绕射现象而且阻尼很低，从而使这类减振器无法发挥应有的减振效果。特别是在地铁减振领域，主要利用盾构隧道配合钢弹簧浮置板等减振措施。这些减振措施对于地铁引起的中高频振动衰减有较为明显效果，但对于低频振动的衰减效果极为有限。

绕波方法是通过设计材料属性在空间的分布来改变弹性波传播的路径，令其绕过需要隔振的部件而实现减振的一种方法。通过控制弹性波的传播路径，不仅可以令弹性波绕过需要被保护的物体，令其不会带来严重的扰动，甚至还可以使弹性波汇聚，收集并利用其携带的能量，即，类似于形成弹性波黑洞，该弹性波黑洞可以在一定的范围内捕获各种形式传播的弹性波并将弹性波汇聚到中心。但是，如何控制弹性波的传播是一个很难的反问题，这是因为弹性波的成分复杂，既有纵波也有剪切波，还可能有各种形式的耦合波，并且描述弹性波传播介质的弹性张量是四阶张量(81个分量)，这使得通过希望得到的场变量来反推材料参数非常困难。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的弹性波汇聚装置及其用途。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种弹性波汇聚装置，所述弹性波汇聚装置具有空心圆柱体形状；并且，所述弹性波汇聚装置由非均匀横观各向同性材料制成，其轴向的任一横截面由多个微元组成，将所述多个微元中每一个微元等效为均匀材料，则该每一个微元的材料参数满足以下条件：(1)所有微元的等效密度均相等：(2)所有微元的面内等效泊松比均相等，且该面内等效泊松比趋近于1；(3)每一个微元的面内等效剪切模量与该微元的中心点距该横截面的圆心的距离的平方成正比例关系，其中所述面内指横观各向同性面内；以使得在使用时，从所述弹性波汇聚装置的外圆环表面以任意角度传入的弹性波，将沿着所述弹性波汇聚装置的内部传输并汇聚到所述弹性波汇聚装置的内圆环表面，以实现对所述弹性波的吸收。

可选地，每一个微元的面内等效泊松比在0.9-1范围内。

可选地，所述弹性波汇聚装置的中心空洞处设置有能量收集装置，用于储存汇聚至所述弹性波汇聚装置的内圆环表面的弹性波的能量；

或者，

所述弹性波汇聚装置的中心空洞处设置有能量耗散材料，用于消耗掉汇聚至所述弹性波汇聚装置的内圆环表面的弹性波的能量；

或者，