CN103514873B - 一种低频隔振复合夹层结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频隔振的复合夹层结构，包括自下而上依次设置的下均匀层、中间层以及上均匀层；所述的中间层为有限二维声子晶体结构，有限二维声子晶体结构包括基体以及若干嵌入基体的散射体，散射体分别与上均匀层和下均匀层连成一体，下均匀层、散射体以及上均匀层（3）均为橡胶类材料制成。散射体与上下两层组合成为一个不可分开的整体，它们为同一材料。基体需要加以固定。所述结构对于沿着板入射的振动和垂直于的低频振动都可以通过设计结构进行阻隔。该结构可用于几百赫兹以内频率范围内的振动控制，可作为建筑基底与内壁、舰船、高铁等工程的低频隔振设施。

Description

一种低频隔振复合夹层结构

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，具体涉及一种低频隔振复合夹层结构。

背景技术

动物理量时而增大时而减小的反复变化即为振动。振动在自然界广泛存在。振动具有可以利用的一面，如可采用振动筛选、振动运输以及振动理论进行测量传感器等的设计。但是，振动对于大多数的工程结构以及生物体都是有害的，它常常能造成机械结构的恶性破坏和失效。超标的振动会缩短机械寿命，降低机械及电子产品的使用性能，甚至成为现代工业的污染源之一。

在实际生活环境中，振动源大多分布在中低频范围（0-1KHz）。其中，低频振动由于能量衰减缓慢，穿透力强，传播距离远而难以实施阻碍和控制，对工业生产，建筑结构以及人体都产生了极大的危害。随着科技的发展，大型结构（如航天产品、桥梁建筑、地铁高铁以及舰船类等）的尺寸增大，其刚度减弱，固有频率也相应地降低，低频振动容易造成其结构和大中型设备故障。因此，低频振动的控制问题成为了工程中常见并且亟待解决的问题之一。虽然人类能对1Hz到100KHz的振动进行感知，但是只有低频区间内的振动对人类的影响最大。据研究，低频振动能诱发人类的肢体和器官的共振，因此许多严重的疾病都与低频振动的影响息息相关，对人类的生理和心理健康造成了较大的伤害。早在1994年，李盈忠等人就提出，低频振动能够导致人体器官失衡，影响人的视力、操作能力、平衡稳定性以及主观感觉。随着振幅的增加，人体不适明显增强，还将导致心血管系统、神经系统以及运动系统的失调与障碍。

振动控制的技术主要包含两大类，即减振技术和隔振技术。隔振就是在振源和需要防振的结构之间防止一定数量具有弹性和阻尼性能的隔振装置，将振源与基础之间或者是基础与需要防振的结构之间的刚性连接转化为柔性连接，以阻隔或减弱振动能量的传递。传统的振动控制技术如普通的橡胶隔振器等具有一定的局限性，尤其是在低频振动的控制方面，难以做到用小尺寸结构阻碍大波长的振动。这一些隔振器的静态刚度与材料本身参数相关，并且也与隔振器的形状、约束或自由面积以及高度等设计参数有关。随着参数设计的变化，静态刚度也往往随之大范围变化，直接影响到隔振器的效果。因此，对于墙面、地面振动的控制，在低于1000Hz的范围内难以用薄层大面积隔振。所以，设计一种在低频范围内能够有效隔除振动的薄层结构成为了一个焦点和难点。

近年来，声子晶体这一种弹性散射体周期排列的复合功能材料因为其良好的带隙特性引起了广泛的关注。美国海军研究试验所、欧洲信息社会技术研究委员会、中国自然科学基金等都对声子晶体的研究与应用进行了大力支持。声子晶体能够与波传播行为（如散射、干涉）相互作用，同时利用结构的周期性和局域共振等特性，在一定的频段范围内形成禁带，阻碍这一范围内的波在结构的各个方向的传播，可以起到滤波的作用，从而可以用其进行隔声或隔振。根据带隙形成的原因，可将声子晶体分为两类：Bragg散射型和局域共振型。这两种带隙的形成均是结构周期性和单散射体的Mie散射共同作用的结果，其中，Bragg散射型声子晶体中，各元胞之间的相互作用起着主要作用，而在局域共振型声子晶体中，单个散射体的共振起到了主导作用。Bragg散射型声子晶体第一带隙中心频率对应的弹性波波长为晶格常数的2倍，所以，如果用这一类声子晶体进行低频的波传播控制，结构将会变得十分巨大，这是不符合实际的。这样，局域共振型声子晶体在低频上的作用引起了人们的重视。

在2000年的Science期刊上，刘正猷等人首次提出了局域共振型声子晶体的概念。文中提出用硅橡胶包裹铅球按照简单立方晶格排列在环氧树脂基体中，理论和实验都证实这一晶格常数为2cm的结构具有400Hz左右的低频带隙，比相同尺寸的Bragg散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。这一发现实现了“小尺寸控制大波长”，这样一类声子晶体的带隙只有单个散射体的局域共振特性决定，而与他们的排列方式无关。但是这一装置具有明显的缺点：因为铅球密度很大导致结构很重而难以运用到实际结构中，而用硅橡胶包裹铅球再植入基体中导致制作工艺复杂难以成型。

传统的局域共振结构一般只能在1000Hz以上区域产生较窄的带隙。杆状、梁状、层状、板状、膜状等结构形式的声子晶体被设计用于获得更低更宽频段的带隙。其中，Pennec,Oudich和Hsu等人都证明了在薄板上附加周期排列的圆柱体形式的声子晶体在0到10³Hz这一数量级频率范围内得到了较为低频共振带隙。但是，绝大多数现有的声子晶体结构仍然不能有效阻隔100Hz以下的低频振动。并且，传统的声子晶体板状结构由于其周期性仅分布在板平面内，对于垂直于板的振动作用不大，难以投入实际应用中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低频隔振复合夹层结构，该结构不仅能够在几百赫兹范围内产生一个较宽禁带，而且能够在垂直于板的方向上低于500Hz的频率范围内起到良好的阻碍振动波传播作用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：包括自下而上依次设置的下均匀层、中间层以及上均匀层；所述的中间层为有限二维声子晶体结构，有限二维声子晶体结构包括基体以及若干嵌入基体的散射体，散射体分别与上均匀层和下均匀层连成一体，下均匀层、散射体以及上均匀层均为橡胶类材料制成。

所述的下均匀层、中间层以及上均匀层总厚度为0.3cm-1.5cm。

所述的中间层的厚度为0.2-1.4cm。

所述的下均匀层、中间层以及上均匀层为横截面均为面积不超过1m×1m的正方形。

所述的散射体的形状为圆柱体，散射体以正方形阵列周期排布的方式嵌入基体中。

所述的散射体在基体中的填充率为10%-78%。

所述的有限二维声子晶体结构的元胞晶格常数为0.5-3cm。

所述的橡胶类材料的杨氏模量在10⁵-10⁷Pa量级。

所述的有限二维声子晶体结构的基体材料选用杨氏模量在10⁹Pa量级以上、密度在3000kg/²以下的金属或聚合物材料。

本发明每个散射体与上均匀层和下均匀层连成一体，因此，上均匀层和下均匀层构成了联系有限二维声子晶体结构相邻元胞的弹性层。这样一种结构能够使散射体本身Mie散射和散射体之间的相互作用结合起来，且波在有限二维声子晶体结构中的传播被调制，在数百赫兹范围内都受到阻碍，形成一个超低频宽频段的带隙。而在本发明所形成的超低频宽频段的带隙内几百赫兹的波传播受阻，因此，本发明能够在使用时产生良好的隔振的效果。而在垂直于板的方向，由于橡胶的耗能效果与有限二维声子晶体结构结合，在500Hz以下的低频产生了数个禁带，因此，能够进一步对低频减振产生了一定效果。

另外，本发明在使用时，振动作用本发明的一个侧面时，可以在与该侧面相邻的另一个侧面上固定约束，也可以仅将有限二维声子晶体结构的基体用固支的方式进行约束，这样能够保证本发明的散射体在整个结构中既提供了质量，又提供了振子弹性，形成了一个局域振子，起到增强局域共振和固定结构的作用，同时也保证了该结构能够固定在实际应用环境中，且由于基底固定，可将基体按地面处理。

进一步，本发明厚度仅为0.3cm-1.5cm，尺寸较小且可以设计调节，该结构可应用于建筑内壁隔振、火车舰船隔振等实际问题。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为中间层的二维平面图；

图3为有限二维声子晶体结构的每个元胞的纵面剖视图；

图4为举例说明元胞晶格常数为3cm，散射体半径为1cm，上下两层板厚为0.2cm，中间层为0.8cm的结构整体在理想情况（无限晶格）的能带图；

图5为与图4参数一致的声子晶体结构在板内单元数目为10×10情况下沿板平面方向入射振动的频率响应函数图；

图6为与图4参数一致的声子晶体结构在板内单元数目为10×10情况下垂直于板平面入射振动的频率响应函数图；

其中，1、上均匀层，2、中间层，3、下均匀层，4、散射体，5、基体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明的分为3层，自下而上依次设置的下均匀层1、中间层2以及上均匀层3，下均匀层1、中间层2以及上均匀层3总厚度为0.3cm-1.5cm。该夹层板可依据实际环境设置面积，但是由于单块板过大将影响固定约束对波在结构中传播的起到的作用，下均匀层1、中间层2以及上均匀层3为横截面均为面积不超过1m×1m的正方形。

如图2-3所示，中间层为2为有限二维声子晶体结构，有限二维声子晶体结构包括基体5以及若干以正方形阵列周期排布的方式嵌入基体5的散射体4，散射体4形状呈圆柱体，且散射体4分别与上均匀层3和下均匀层2连成一体；散射体4在基体5中的填充率为10%-78%。有限二维声子晶体结构的元胞晶格常数（即两个相邻元胞中心的间距）为0.5-3cm，散射体的尺寸可根据不同的禁带范围需求以及晶格常数的大小进行设定。

其中，下均匀层1、散射体4以及上均匀层3都是采用硅胶材料制成的，硅胶材料的材料参数为杨氏模量在10⁵-10⁷Pa量级。中间层2的基体材料的材料参数为杨氏模量在10⁹Pa量级以上、密度在3000kg/²以下的金属或聚合物材料制成，金属材料具体为铝，聚合物材料具体为塑料。

如图1所示，在振动作用在A面时，可以在B面加上固定约束以起到增强局域共振和固定结构的作用，也可以只在中间层位于B面的部分用固支的方式进行约束，保证本发明的散射体在整个结构中既提供了质量，又提供了振子弹性，形成了一个局域振子，起到增强局域共振和固定结构的作用。

本发明材料参数和结构参数并不是限定的，可以根据工程实际环境进行相应设计改变，因为声子晶体本身也是可以靠结构参数和材料参数的变化来调制禁带的范围的。因此，此类结构能够广泛应用于低频隔振。

下面从材料参数和结构参数对本发明进行进一步限定，给出本发明的优选实施例。

本发明的包括自下而上依次设置的下均匀层1、中间层2以及上均匀层3；所述的中间层2为有限二维声子晶体结构，有限二维声子晶体结构包括基体5以及若干以正方形阵列周期排布的方式嵌入基体5的散射体4，散射体4分别与上均匀层3和下均匀层1连成一体，下均匀层1、散射体4以及上均匀层3由相同材料制成。

本发明的下均匀层1、散射层4以及上均匀层3的材料均选用密度为：ρ=1300kg·m^-3，杨氏模量为E=1.175×10⁵Pa的硅橡胶；中间层2的基体材料优选为塑料，其材料参数为：密度ρ=1190kg·m^-3，杨氏模量为E=2.2×10⁹Pa，基底是固定的；有限二维声子晶体结构的元胞晶格常数为3cm，散射体半径为1cm，下均匀层1、中间层2以及上均匀层3的总厚度为1.2cm，且下均匀层1和上均匀层3的厚度均为0.2cm，中间层2的厚度为0.8cm，散射体4在基体5中的填充率为34.9%。

将本实施例所限定的结构作为研究对象算出其在不可约的布里渊区上的能带图。如图4所示，在0-187Hz，188-286Hz，309-315Hz，324-355Hz，356-397Hz这些区域内出现了明显的完全禁带，即在这些频率范围内，任一方向上的波传播都是禁止的。其中，前两阶禁带范围较宽且相连，可以大范围降低低频区域内的振动，最低频甚至低至了0Hz。图4中由rxM围成的阴影部分为不可约布里渊区。

如图5所示，从图5的频率响应函数中也可以印证图4能带图的结构。图5中计算的结构单元数目为10×10。当有限声子晶体的元胞数目足够时，它与无限结构的波传播特性十分接近。从图5中可看出，0-187Hz，188-286Hz，309-315Hz，324-355Hz，356-397Hz频率响应函数数值特别低，甚至达到了-350dB，证明波在这些区域的传播受到了阻碍，几乎不能通过。而在0-400Hz区域内的尖锐的峰值所对应的频率也恰好与图4中能带对应频率相等，足以互相证明图4和图5两者的正确性。这样明显的阻碍效果能够运用到阻隔振动的结构中，强烈降低振动幅值，极大降低振动的危害性。

如图6所示，0-90Hz，230-300Hz以及320-410Hz之间，频响函数可低至-10dB左右。这是由于声子晶体对波传播的调制与橡胶层和散射体对振动能量的损耗引起的。虽然降低幅值不如图5明显，但是依据工程实践需求，厚度仅1.2cm（可低至3mm）的结构能够阻隔如此低频范围内的振动，是可以对其加以利用的。

与现有技术相比，本发明的有易效果在于：

1、相对于低频隔振中频率的波长，该结构尺寸比其波长低了几个数量级，更符合工程实际应用。

2、本发明有限二维声子晶体结构的基体材料参数为杨氏模量在10⁹Pa量级以上、密度在3000kg/²以下，因此可以选取适当的基体材料，减轻结构重量。

3、本发明的材料参数和结构参数均能在一定范围内通过调制结构参数改变禁带范围。

4、对沿着板平面入射的低频振动阻碍效果明显，在低于400Hz的范围内能够产生数个透射极低的较宽的完全禁带，第一阶禁带甚至低至了0Hz。

5、本发明低频隔振复合夹层结构厚度仅为0.3-1.5cm时，便可以隔绝垂直于板入射的低频振动，在0-1000Hz频率范围中可通过调制结构参数和材料产生数个类似禁带，使得该方向上的振动传播受阻，其具体表现足以用于工程实际中。

6、本发明在制备时，先取熔点较高的材料采取钻孔、铣等方式成型形成带有通孔的骨架，再制取与骨架面积大小一致的方形模，将骨架至于其中，浇注熔点比骨架低的橡胶类材料入模直至填充骨架并覆盖骨架两面，冷却后取出，制备完成，因此，本发明设计简单，易于加工和制造。

Claims (8)

1.一种低频隔振复合夹层结构，其特征在于：包括自下而上依次设置的下均匀层(1)、中间层(2)以及上均匀层(3)；所述的中间层(2)为有限二维声子晶体结构，有限二维声子晶体结构包括基体(5)以及若干嵌入基体(5)的散射体(4)，散射体(4)分别与上均匀层(3)和下均匀层(1)连成一体，下均匀层(1)、散射体(4)以及上均匀层(3)均为橡胶类材料制成；

所述的下均匀层(1)、中间层(2)以及上均匀层(3)总厚度为0.3cm-1.5cm。

2.根据权利要求1所述的低频隔振复合夹层结构，其特征在于：所述的中间层(2)的厚度为0.2-1.4cm。

3.根据权利要求1所述的低频隔振复合夹层结构，其特征在于：所述的下均匀层(1)、中间层(2)以及上均匀层(3)为横截面均为面积不超过1m×1m的正方形。

4.根据权利要求3所述的低频隔振复合夹层结构，其特征在于：所述的散射体(4)的形状为圆柱体，散射体(4)以正方形阵列周期排布的方式嵌入基体(5)中。

5.根据权利要求4所述的低频隔振复合夹层结构，其特征在于：所述的散射体(4)在基体(5)中的填充率为10％-78％。

6.根据权利要求4所述的低频隔振复合夹层结构，其特征在于：所述的有限二维声子晶体结构的元胞晶格常数为0.5-3cm。

7.根据权利要求1所述的低频隔振复合夹层结构，其特征在于：所述的橡胶类材料的杨氏模量在10⁵-10⁷Pa量级。

8.根据权利要求1或7所述的低频隔振复合夹层结构，其特征在于：所述的有限二维声子晶体结构的基体材料选用杨氏模量在10⁹Pa量级以上、密度在3000kg/²以下的金属或聚合物材料。