CN109871045A - 一种纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，包括：声子晶体梁结构；所述声子晶体梁结构为纳米量级的，在所述声子晶体梁结构上设有振动控制区域；电源，与声子晶体梁结构相连；加速度传感器，与声子晶体梁结构相连；多物理场控制***，用于将加速度传感器传送过来的振动信号进行处理后，将合适的电压、温差以及外加载荷信号输出到声子晶体梁结构中，本发明通过将尺寸压缩到纳米量级，在基于力‑电‑热耦合物理场对带隙的调节规律，通过结合加速度传感器和多物理场控制***，实现了对纳米声子晶体梁结构的超高频段振动的主动控制，对促进纳米机电***的发展起到积极作用，为工程上纳米机电***的智能化应用提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，具体涉及一种基于多物理场耦合作用下纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置。
背景技术
控制技术在国防以及民用等领域具有极其重要的地位。通过对该技术的大量理论和实验研究，传统振动控制技术已经发展成为一套完整体系且趋于成熟。近年来，伴随着声子晶体结构的兴起和发展，基于声子晶体设计思路所衍生的各类振动控制技术获得了广泛关注，相应的技术也比较多。
目前，基于声子晶体的振动控制装置均是处于宏观尺寸，它能控制的带隙频段量级一般是从赫兹(Hz)到兆赫(MHz)之间，而能够有效实现千兆赫(GHz)以上的超高频段振动控制的声子晶体装置一般需要将尺寸缩到纳米量级。
伴随着多物理场耦合作用下声子晶体结构的研究，相应的振动主动控制技术也获得了一定的发展。其中，力-电-热耦合声子晶体结构基于机械场、电场以及温度场之间的相互转换实现对带隙的有效调控，并进一步基于各物理场对带隙的调节规律实现对带隙的主动控制。但是，目前还没有基于力-电-热耦作用下纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置的技术。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种基于力-电-热耦合物理场对带隙的调节规律，通过结合加速度传感器和多物理场控制***相结合，能够实现对纳米声子晶体梁结构的超高频振动的主动控制的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，包括：
声子晶体梁结构；所述声子晶体梁结构为纳米量级的，在所述声子晶体梁结构上设有振动控制区域；
电源，与声子晶体梁结构相连，用于供给声子晶体梁结构能源；
加速度传感器，与声子晶体梁结构相连，用于拾取到振动控制区域处的振动信号并发送给多物理场控制***；
与加速度传感器相连的多物理场控制***，用于将加速度传感器传送过来的振动信号进行处理后，将合适的电压、温差以及外加载荷信号输出到声子晶体梁结构中，实现对超高频振动的主动控制。
进一步的，所述声子晶体梁结构由纯弹性材料和压电材料周期交替排布而组成。
进一步的，所述纯弹性材料为树脂类聚合物材料。
进一步的，所述压电材料为压电类聚合物材料。
进一步的，所述压电材料和纯弹性材料之间的连接方式为硬性连接。
进一步的，所述声子晶体梁结构的截面包括但不限于矩形/圆形。
进一步的，所述电源通过引线与声子晶体梁结构中的压电材料相连。
进一步的，所述多物理场控制***包括通过引线依次连接的电荷放大器、处理器、信号发生器以及功率放大器。
进一步的，所述声子晶体梁结构上与振动控制区域相反一侧设有外加载荷施加处。
进一步的，所述功率放大器与外加载荷施加处、压电材料以及声子晶体梁结构之间分别设有外加载荷施加元件、外加电压施加元件以及温差施加元件。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
（1）通过将尺寸压缩到纳米量级突破了对振动可控频段的限制，实现了对超高频段振动的主动控制。
（2）基于力-电-热耦合物理场对带隙的调节规律，通过结合加速度传感器和多物理场控制***，实现了对纳米声子晶体梁结构的超高频段振动的主动控制。
（3）对促进纳米机电***的发展起到积极作用，为工程上纳米机电***的智能化应用提供了新的思路。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明的结构示意图；
附图2为一定材料参数、几何参数以及力-电-热耦合场参数下，本发明相应的能带结构图；
附图3为外加电压的变化对禁带起始和终止频率的影响曲线图；
附图4为温差的变化对禁带起始和终止频率的影响曲线图；
附图5为外加载荷的变化对禁带起始和终止频率的影响曲线图；
其中：1、声子晶体梁结构；2、振动控制区域；3、电源；4、加速度传感器；5、电荷放大器；6、处理器；7、信号发生器；8、功率放大器；9、外加载荷施加处； 11、纯弹性材料；12、压电材料；20、外加载荷施加元件；21、外加电压施加元件；22、温差施加元件。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参阅附图1，本发明所述的一种纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，包括：声子晶体梁结构1；所述声子晶体梁结构1为纳米量级的，在所述声子晶体梁结构1上设有振动控制区域2；电源3，与声子晶体梁结构1相连，用于供给声子晶体梁结构1能源；加速度传感器4，与声子晶体梁结构1相连，用于拾取到振动控制区域2处的振动信号并发送给多物理场控制***；与加速度传感器4相连的多物理场控制***，用于将加速度传感器4传送过来的振动信号进行处理后，将合适的电压、温差以及外加载荷信号输出到声子晶体梁结构1中，实现对超高频振动的主动控制。
作为进一步的优选实施例，所述声子晶体梁结构1由纯弹性材料11和压电材料12周期交替排布而组成，其中纯弹性材料选用树脂类聚合物材料，比如环氧树脂等，压电材料选用压电类聚合物材料，比如压电陶瓷PZT-4等。
作为进一步的优选实施例，压电材料12和纯弹性材料11之间的连接方式为硬性连接，比如胶接或者螺栓连接。
作为进一步的优选实施例，所述声子晶体梁结构1的截面包括但不限于矩形/圆形。
作为进一步的优选实施例，所述电源3通过引线与声子晶体梁结构1中的多个压电材料12相连。
作为进一步的优选实施例，所述多物理场控制***包括通过引线依次连接的电荷放大器5、处理器6、信号发生器7以及功率放大器8。
作为进一步的优选实施例，所述声子晶体梁结构1上与振动控制区域2相反一侧设有外加载荷施加处9。
作为进一步的优选实施例，加速度传感器4通过引线与声子晶体梁结构1中位于尾端的压电材料12相连。
作为进一步的优选实施例，所述功率放大器8与外加载荷施加处9、压电材料12以及声子晶体梁结构之间分别设有外加载荷施加元件20、外加电压施加元件21以及温差施加元件22。
工作原理：对于压电材料，通过外加电压施加元件对其施加可控电压；对于整个结构，通过温差施加元件22施加可控温差；对于外加载荷施加处5，通过外加载荷施加元件20施加可控载荷；当加速度传感器拾取到振动控制区域4处的振动信号后，通过电荷放大器5传入到处理器6中，处理器6通过分析计算出合适的电压、温差以及外加载荷信号，并借由信号发生器7和功率放大器8将相应信号输出到外加载荷施加元件20,外加电压施加元件21以及温差施加元件22中，从而实现对纳米声子晶体梁结构的超高频振动的主动控制。
实施例一：
声子晶体梁结构的截面选用矩形，压电材料和纯弹性材料分别选用压电陶瓷PZT-4和环氧树脂。
其中PZT-4的材料参数为：密度，弹性常数，压电常数，介电常数，热模量常数；环氧树脂的材料常数为：密度，弹性常数。
本实施例中的几何参数为：PZT-4的长度，环氧树脂的长度，截面宽度，截面高度。
当多物理场的相关参数设为：可控电压，可控温差以及可控载荷时，从附图2所示的能带结构图可以看到，8GHz以下频段，该结构在3.4-6.7GHz频段之间将会出现禁带（灰色标注区域），而在其余频段会出现通带。其中，禁带表示振动禁止传递的频段，而通带表示振动允许传递的频段。
当改变各物理场参数时，即可控电压，可控温差以及可控载荷，禁带和通带的频段将会随着物理场的变化而发生改变，附图3,4,5分别给出了外加电压、温差和外加载荷的变化对禁带起始和终止频率的影响曲线图，通过数据处理，可以将禁带频段和通带频段与多物理场参数构件对应关系。
当声子晶体梁结构发生振动时，通过加速度传感器拾取到振动控制区域处的振动信号所对应的频段，进一步通过多物理场控制***分析出控制该频段的最优多物理场参数，再进而将电压、温差以及外加载荷信号输出到声子晶体梁结构中，从而实现超高频振动的主动控制。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，其特征在于，包括：
声子晶体梁结构；所述声子晶体梁结构为纳米量级的，在所述声子晶体梁结构上设有振动控制区域；
电源，与声子晶体梁结构相连，用于供给声子晶体梁结构能源；
加速度传感器，与声子晶体梁结构相连，用于拾取到振动控制区域处的振动信号并发送给多物理场控制***；
与加速度传感器相连的多物理场控制***，用于将加速度传感器传送过来的振动信号进行处理后，将合适的电压、温差以及外加载荷信号输出到声子晶体梁结构中，实现对超高频振动的主动控制。
2.根据权利要求1所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，其特征在于：所述声子晶体梁结构由纯弹性材料和压电材料周期交替排布而组成。
3.根据权利要求2所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，其特征在于：所述纯弹性材料为树脂类聚合物材料。
4.根据权利要求2所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，其特征在于：所述压电材料为压电类聚合物材料。
5.根据权利要求2所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置,其特征在于：所述压电材料和纯弹性材料之间的连接方式为硬性连接。
6.根据权利要求1所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置,其特征在于：所述声子晶体梁结构的截面包括但不限于矩形/圆形。
7.根据权利要求2所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置,其特征在于：所述电源通过引线与声子晶体梁结构中的压电材料相连。
8.根据权利要求7所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置,其特征在于：所述多物理场控制***包括通过引线依次连接的电荷放大器、处理器、信号发生器以及功率放大器。
9.根据权利要求8所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置,其特征在于：所述声子晶体梁结构上与振动控制区域相反一侧设有外加载荷施加处。
10.根据权利要求9所述的纳米声子晶体梁结构的超高频振动主动控制装置，其特征在于：所述功率放大器与外加载荷施加处、压电材料以及声子晶体梁结构之间分别设有外加载荷施加元件、外加电压施加元件以及温差施加元件。
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