专利摘要

本发明公开了一种新型弹性波超材料结构，包括长方体形状的超材料底座(1)；超材料底座(1)的顶面，垂直设置有多个高度相同的竖直支撑(3)；多个竖直支撑(3)为横向等间隔分布；每个竖直支撑(3)的顶部固定连接一个超材料头部(2)；多个超材料头部(2)的高度，从左到右等幅度逐渐递增。本发明公开的一种新型弹性波超材料结构，其能够嵌入到工程结构中对弹性波进行放大，对工程结构的振动频率具有良好的放大效果，应用便捷，具有重大的生产实践意义。

权利要求

1.一种新型弹性波超材料结构，其特征在于，包括长方体形状的超材料底座(1)；

超材料底座(1)的顶面，垂直设置有多个高度相同的竖直支撑(3)；

多个竖直支撑(3)为横向等间隔分布；

每个竖直支撑(3)的顶部固定连接一个超材料头部(2)，一个竖直支撑(3)和一个超材料头部(2)一起组成倒立的L形结构；

多个超材料头部(2)的高度，从左到右等幅度逐渐递增。

2.如权利要求1所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，超材料底座(1)、竖直支撑(3)和超材料头部(2)为一体成型。

3.如权利要求1所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，竖直支撑(3)和超材料头部(2)的形状为长方体形状。

4.如权利要求1所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，超材料底座(1)的底面，粘贴在需要进行振动检测的待测试件(5)的中心位置右侧。

5.如权利要求4所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，待测试件(5)为钢板。

6.如权利要求1所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，超材料底座(1)、竖直支撑(3)和超材料头部(2)的材质为不锈钢或者光敏树脂。

7.如权利要求1所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，超材料底座(1)厚度为0.2～1.0mm，宽度为15mm，长度为100～160mm；

竖直支撑(3)宽度0.4～2.0mm，高度为5.0～9.0mm，长度为15mm；

超材料头部(2)宽度为5～7mm，长度为15mm，高度为3.0～9.67mm。

8.如权利要求7所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，超材料底座(1)厚度为0.5mm，长度为160mm；

竖直支撑(3)宽度为1mm，高度为9mm；

超材料头部(2)的宽度为5mm。

9.如权利要求3所述的新型弹性波超材料结构，其特征在于，对于由一个竖直支撑(3)和一个超材料头部(2)一起组成的倒立的L形结构，任意相邻的两个倒立的L形结构的横向间距为10mm；

倒立的L形结构的级联个数为9～15个。

说明书

技术领域

本发明涉及声学超材料技术领域，特别是涉及一种新型弹性波超材料结构。

背景技术

波动是能量传播的一种方式，在自然界普遍存在，如机械系统的振动，是在结构中传播的弹性波，通过材料设计，进而对波传播进行调控，对工程应用以及科学研究，具有十分重要的意义。例如，引导地震过程中危害极大的剪切波偏离建筑物传播，从而避免建筑损坏以及人员伤亡；通过材料和结构设计，引导弹性波按照预设方式传播，是工程结构减震降噪、能量收集、弹性波隐身等诸多领域设计的基础。

弹性波超材料是一种周期性人工复合结构，具有独特而丰富的声波调控能力。经研究发现将其粘附于固体部件表面，可实现对弹性波的放大、汇聚、偏转、吸收等功能。由此可将弹性波超材料用于提高结构健康监测或损伤探测的灵敏度、分辨率等。

目前，声学超材料的发展进步迅速，在人们相继发现了分别具有负的体积模量和负的质量密度的超材料之后，通过不断的努力尝试，终于将两者成功结合在同一个超材料上，获得了同时具有负的体积模量和负的质量密度的超材料；随后通过在管内气体中引入双共振单元，实现了负的质量密度和体积模量；之后又出现了一种四相“杂交”超材料，该超材料除了具有上述性能外，还拥有着负的等效模量，而且，在实验时发现，它在不同的频率内只允许一种波(纵波或横波)的传播，或者限制波的传播方向。与此同时，人们又相继设计了三相和有手性夹层的四相超材料。最终，还通过在不锈钢板上刻出手性花纹，首次实现了单相材料的弹性波超材料。

近几年，又提出了一种新型的超材料。它是由两部分组成的，一部分是两个质量块，另一部分是连接第一部分的连接体。它具有负的等效质量密度，而且，它还可以依据频率值改变不同方向的负等效质量密度，通过理论和实验分析，证实了其双曲频散关系和亚波长成像能力。

声学超构材料自诞生以来，吸引了来自物理学、力学和材料科学等领域的研究人员的关注和兴趣，已成为人工结构研究领域中一个不可或缺的部分。但是，现有的弹性波超材料缺乏与工程现场的有机结合，还不能嵌入到工程结构中对弹性波进行放大。此外，在弹性波信号的耦合导入和调控后信号的传感测量方面，多数是通过激光多普勒测振仪进行验证，尚构不成弹性波测量系统。与此同时，超材料的制造也存在问题，其难点在于大规模微结构的制造和精度控制，也需要满足超材料结构在产品设计、生产工艺等方面的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种新型弹性波超材料结构。

为此，本发明提供了一种新型弹性波超材料结构，包括长方体形状的超材料底座；

超材料底座的顶面，垂直设置有多个高度相同的竖直支撑；

多个竖直支撑为横向等间隔分布；

每个竖直支撑的顶部固定连接一个超材料头部；

多个超材料头部的高度，从左到右等幅度逐渐递增。

其中，超材料底座、竖直支撑和超材料头部为一体成型。

其中，竖直支撑和超材料头部的形状为长方体形状。

其中，一个竖直支撑和一个超材料头部一起组成倒立的L形结构。

其中，超材料底座的底面，粘贴在需要进行振动检测的待测试件的中心位置右侧。

其中，待测试件为钢板。

其中，超材料底座、竖直支撑和超材料头部的材质为不锈钢或者光敏树脂。

其中，超材料底座厚度为0.2～1.0mm，宽度为15mm，长度为100～160mm；

竖直支撑宽度0.4～2.0mm，高度为5.0～9.0mm，长度为15mm；

超材料头部宽度为5～7mm，长度为15mm，高度为3.0～9.67mm。

其中，超材料底座厚度为0.5mm，长度为160mm；

竖直支撑宽度为1mm，高度为9mm；

超材料头部的宽度为5mm。

其中，对于由一个竖直支撑和一个超材料头部一起组成的倒立的L形结构，任意相邻的两个倒立的L形结构的横向间距为10mm；

倒立的L形结构的级联个数为9～15个。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种新型弹性波超材料结构，其能够嵌入到工程结构中对弹性波进行放大，对工程结构的振动频率具有良好的放大效果，应用便捷，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种新型弹性波超材料结构的结构示意图；

图2为本发明提供的一种新型弹性波超材料结构应用到待测试件上的仿真模型示意图(具体利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件进行声固耦合仿真)；

图3为本发明提供的一种新型弹性波超材料结构的测试状态示意图；

图4为本发明提供的一种新型弹性波超材料结构的测试系统的结构方框图；

图5为本发明提供的一种新型弹性波超材料结构直接粘贴在待测试件表面时，通过应变计采集的信号示意图；

图6为本发明提供的一种新型弹性波超材料结构粘贴在超材料竖直支撑部分时，通过应变计采集的信号示意图。

图中：1：超材料底座；2：超材料头部；3：竖直支撑；4：应变计；5：待测试件；6：激励位置；7：空气。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图6所示，本发明提供了一种新型弹性波超材料结构，包括长方体形状的超材料底座1；

超材料底座1的顶面，垂直设置有多个高度相同的竖直支撑3；

多个竖直支撑3为横向等间隔分布；

每个竖直支撑3的顶部固定连接一个超材料头部2；

多个超材料头部2的高度，从左到右等幅度逐渐递增。

在本发明中，具体实现上，超材料底座1、竖直支撑3和超材料头部2为一体成型。

在本发明中，具体实现上，竖直支撑3和超材料头部2的形状为长方体形状。

在本发明中，具体实现上，一个竖直支撑3和一个超材料头部2一起组成倒立的L形结构。

在本发明中，具体实现上，超材料底座1的底面，粘贴在需要进行振动检测的待测试件5(如钢板)的中心位置右侧。

具体实现上，待测试件5可以为钢板。

对于本发明，具体实现上，为获得优越的几何尺寸参数和性能，利用COMSOLMultiphysics有限元仿真软件进行声固耦合仿真。仿真所采用的是压力声学模型，初始条件为：标准大气压(1atm)，标准温度(293.15K)，初始位移和速度均为0。采用线弹性流体模型，声速和密度以及杨氏模量、泊松比均来自材料。其中，阻尼类型为P波和S波，阻尼中各向同性损耗因子为0.05。仿真所建模型如图2所示，弹性波超材料粘贴在待测试件5(如钢板)的中心右侧，激励位置6位于待测试件5中心左侧200mm处，所施加的激励为一个竖直方向的单位面积力载荷，大小为1N/m²，激振频率100～1000Hz，为了与实际应用相同，整体模型设置于空气7中。

需要说明的是，由于大部分工程结构振动频率为低频振动，所以发明低频响应的弹性波超材料更具意义。本发明选择低频中200～700Hz频率带作为设计需求进行设计。竖直支撑3和超材料头部2一起组成的倒L形结构的材质以及几何尺寸，是影响其共振频率的主要因素，材质主要由现有加工技术和结构强度来决定，3D打印技术成型简单，精度较高，所以材质可以选择3D打印主要耗材进口光敏树脂，也可以选择机加工的常用材料不锈钢。通过扫描弹性波超材料倒L形结构的几何尺寸，来获取较好的低频响应。

在本发明中，具体实现上，经过有限元仿真扫描分析，最终确定弹性波超材料的材质为不锈钢或者进口光敏树脂，也就是说，超材料底座1、竖直支撑3和超材料头部2的材质为不锈钢或者进口光敏树脂。

在本发明中，具体实现上，具体的几何尺寸为：超材料底座1厚度为0.2～1.0mm，宽度为15mm，长度为100～160mm；

竖直支撑3宽度0.4～2.0mm，高度为5.0～9.0mm，长度为15mm；

超材料头部2宽度为5～7mm，长度为15mm，高度为3.0～9.67mm。

具体实现上，对于由一个竖直支撑3和一个超材料头部2一起组成的倒立的L形结构，任意相邻的两个倒立的L形结构的横向间距为10mm。

具体实现上，倒立的L形结构的级联个数为9～15个。

具体实现上，超材料底座1厚度优选为0.5mm，长度优选为160mm，宽度为15mm不变；

竖直支撑3宽度优选为1mm，高度优选为9mm，长度为15mm不变；

超材料头部2的宽度优选为5mm。

具体实现上，对于由一个竖直支撑3和一个超材料头部2一起组成的倒立的L形结构，每个倒立的L形结构的高度为3.0～9.67mm，横向间隔距离为0.48mm，全部倒立的L形结构的级联个数为15个，覆盖低频频率带200～700Hz，具体超材料头部2高度与共振频率的对应关系示意表，参见下表1。

对于本发明，为了应用本发明提供的新型弹性波超材料结构，使其能够对弹性波进行放大并能嵌入到工程结构中，具体应用方法如下：

首先，对待测试件5表面进行去污处理，并用细砂纸打磨光滑；

然后，用丙酮将所需的工具(如镊子、刀片和玻璃板)清洗干净并佩戴干净的细纱手套。用化妆笔将粘结剂(例如502胶水)涂刷在待测试件5表面和超材料底座1的底部上，稍微擦干，待当胶水稍粘时，将本发明的弹性波超材料对准待测试件5的涂胶位置，并用镊子压紧超材料和待测试件5，排出气泡并挤出多余的胶水，采用同样的方法，将应变计4粘贴在一个竖直支撑3的中间部分。

需要说明的是，应变计4输出信号即为经放大后的振动信号，其放大原理为共振原理，由于不同尺寸的倒L形结构共振频率不同，当振动频率在倒L形结构共振频率附近时，引起共振现象，从而放大振动信号，因此可根据此信号判断振动情况，由于不同尺寸的倒立L形结构共振频率不同，因此可根据同一时刻应变计4输出值最大所对应的倒L形结构的共振频率，来确定振动频率。

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例来进行详细说。

实施例。

对于本发明提供的新型弹性波超材料结构，其是一种能够对弹性波进行放大并能嵌入到工程结构的弹性波超材料，如图1所示，具体测试图如图3所示，测试系统如图4所示。分别在待测试件5表面粘贴待测试件表面应变片，以及在竖直支撑3上粘贴粘贴超材料支撑部分应变片，然后通过动态应变仪连接这两个应变片，采集相关应变数据。

在本实施例中，待测试件5具体为需要进行振动检测的工程结构，以钢板代替，实际测试中并不做限制。

首先，对待测试件5表面进行去污处理，并用细砂纸打磨光滑；

然后，用丙酮将所需的工具(如镊子、刀片和玻璃板)清洗干净并佩戴干净的细纱手套。用化妆笔将粘结剂(例如502胶水)涂刷在待测试件5表面和超材料底座1的底部上，稍微擦干，待当胶水稍粘时，将弹性波超材料对准待测试件5的涂胶位置，并用镊子压紧超材料和待测试件5，排出气泡并挤出多余的胶水，采用同样的方法，将应变计4粘贴在一个竖直支撑3的中间部分。

为了施加激振，使用直径为40mm、重量为500g的不锈钢球，在每个振子测试时，从同一高度h＝165mm处自由下落10次，以激振待测试件5(具体为对激励位置6进行激振)；利用动态应变仪，记录直接粘贴在待测试件5表面的应变计和粘贴在竖直支撑3部分的应变计4的振动信号，然后，将其采集到的数据传输到上位机，进行数据处理。

需要说明的是，在进行数据处理时，为使误差最小化，去掉最小值和最大值，剩余数据求取平均值，并计算粘贴在竖直支撑3部分的应变计4的振动信号和待测试件5表面应变计的振动信号幅值比，代表弹性波超材料的放大倍数。其中，待测试件5表面的应变计采集的信号示意图如图5所示，竖直支撑3部分的应变计4采集的信号示意图如图6所示。

由图5、图6可以看出，本发明提供的弹性波超材料，其能够对弹性波进行放大并能嵌入到工程结构中，能够对工程结构上弹性波的振动频率进行有效放大，应用便捷。

与现有技术相比较，本发明提供的新型弹性波超材料结构，具有如下有益效果：

1、本发明提供的对弹性波进行放大并能嵌入到工程结构的弹性波超材料，为一体式级联的倒立L形的结构，各振子上应变计4的输出应变信号随着各振子超材料头部2高度的增加而增大，即放大效果增强；放大效果还随着竖直支撑3部分的厚度减小而变大，最大放大效果可达4倍。并且还可依据同一时刻振子上应变计4输出的最大信号，来确定振动频率。

2、本发明通过进行不同几何配置的有限元模拟，得到了合理的弹性波超材料几何尺寸和级联个数：超材料底座1厚度为0.2～1.0mm，宽度15mm，长度为100～160mm；竖直支撑3部分宽度0.4～2.0mm，高5.0～9.0mm，长为15mm；超材料头部2宽度为5～7mm，长为15mm，高度为3.0～9.67mm。级联个数9～15个。并且确定了不同尺寸的共振频率。

3、本发明所设计的弹性波超材料结构，整体尺寸长度不大于160mm，宽度15mm，高不大于17mm，尺寸较小，并且与应变计4结合，即可嵌入到实际工程结构中，应用便捷。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种新型弹性波超材料结构，其能够嵌入到工程结构中对弹性波进行放大，对工程结构的振动频率具有良好的放大效果，应用便捷，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

一种新型弹性波超材料结构专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。