CN106683658A - 一种串联结构声子晶体 - Google Patents

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Abstract

一种串联结构声子晶体，涉及声子晶体结构技术领域，设有基体板，所述的基体板上纵向串联有至少两种具有不同带隙特征的振动单元。本发明具有在低频率、宽频率范围内具有较好的隔振特性，结构简单，强度高，适于实际应用等优点。

Description

一种串联结构声子晶体
技术领域
本发明涉及一种声子晶体结构技术领域，详细讲一种在低频率、宽频率范围内具有较好的隔振特性，结构简单，强度高，适于实际应用的串联结构声子晶体。
背景技术
我们知道，低频振动给生产、生活带来较大的影响，合理有效的解决低频宽带隔振问题，成为近年来研究的热点。
美国海军在《2000-2035年海军技术》报告中指出21世纪潜艇必须重点发展的六大关键技术中，声隐身技术被列为重点发展的六大关键技术之首。
随着声呐技术不断向低频段扩展，主动声呐低频端已达1300Hz-2000Hz，被动声呐探测的频率下限已达10Hz，这就迫使潜艇平台辐射噪声控制能力尽量向低频域发展。为控制潜艇低频段辐射噪声，世界先进海军国家陆续开展了新一代潜艇减振降噪技术。美国的噪声和振动控制系统采用船用高速网络技术，对全舰100Hz以下的低频振动实现有效隔振。德国也研制开发了用于潜艇主机隔振的双层隔振系统，400Hz以下低频段隔振效果大于20dB。这些技术将进一步提升世界先进海军国家潜艇的低频声隐身性能。
潜艇辐射噪声主要分为机械噪声、推进器噪声和水动力噪声。其中，机械噪声是机械设备振动经过隔振系统传递到基座引起耐压壳体振动，再经舷间声振耦合引起的外壳振动并向外场辐射的噪声。低速巡航工况下，潜艇约70%的辐射声能量来源于机械设备振动引起的机械噪声。降低潜艇机械设备引起的辐射噪声主要有两种途径：一是通过机械设备低噪声设计和加工工艺改进，减少设备振动和噪声；二是从振动传递路径上采用隔振、隔声措施，阻隔振动和噪声的传递。
声子晶体是具有弹性波禁带特性的周期复合结构。在其禁带对应频率范围内，弹性波的传播受到抑制，振动能量得到有效的衰减。近年来，应用声子晶体结构进行减振降噪成为研究的热点。因此运用声子晶体是为潜艇的低频隔振提供了一种新思路。
刘正猷等人在Science上提出局域共振型声子晶体概念。得到单元特征长度为2cm的结构具有400Hz左右的低频带隙。Yang等人通过实验和理论推导阐明了具有十分简单结构的膜状声学超材料，能够打破质量密度定律，实现100–1000Hz频率范围内的声波衰减。Ho等基于局域共振结构原理,设计了具有不同共振频率结构单元的宽频带声隐身材料,能屏蔽 200 — 500 Hz 的声波。吴九汇等人提出螺旋结构声子晶体，采用有机玻璃和钢柱材料设计了低频隔振的性能，其起始频率最低为42Hz，有效降低了带隙的起始频率。此外，许多研究者对不同形式、不同材料组合的声子晶体结构在低频段的隔振也都进行了大量的研究。
以上研究表明局域共振声子晶体对于低频隔振具有较好的效果，但无法同时满足在较低频率和宽频率范围内的隔振性能。现有的声子晶体基体材料多采用环氧树脂或有机玻璃等，此类材料虽然密度很小，弹性比较好，但是由于其强度较差、使用寿命短，因此很难应用到实际结构中，这也成为限制声子晶体低频隔振在实际结构中应用的主要原因。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便，在低频率、宽频率范围内具有较好的隔振特性，有高强度，适于实际应用的串联结构声子晶体。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种串联结构声子晶体，设有基体板，其特征在于所述的基体板上(纵向串联)设有至少两种具有不同带隙特征的振动单元。
本发明中所述的基体板的横向上设有至少两列振动单元。可以根据实际需要任意调整基体板横向上振动单元的列数。所述的每列振动单元，由至少两种具有不同带隙特征的的振动单元在基体板（纵向）上周期性排列而成；在每个周期内，每种振动单元至少一个。
本发明中所述的振动单元由振动基座和振子组成；振子固连在振动基座上。
本发明中所述的振动基座是采用去除材料法在基体板上加工而成，用于安装振子、可为振子提供振动支撑。
本发明中所述的振动基座一种是冲孔型振动基座，其结构为：基体板上设有振子安装孔，以振子安装孔为中心圆形分部有振动孔。（以振子安装孔为中心圆形阵列有振动孔）
本发明中所述的振动基座另一种是双螺旋型振动基座，其结构为：基体板上设有振子安装孔，以振子安装孔为中设有环绕振子安装孔的平面双螺旋状槽口。
本发明中所述的振子由呈阶梯台状（即“凸”字形）的上振子和下振子组成，上振子和下振子（凸字头部）相对的设在基体板上振子安装孔的上下两侧，上振子和下振子中部与振子安装孔相对处设有安装通孔，安装通孔内设有紧固螺栓。紧固螺栓穿过振子安装孔将上振子和下振子固定在基体板上。
本发明由于振子和振动基座的密度比越大，能得到的衰减频率范围越大，衰减量越大，综合衰减量越好，因此密度高的振子和密度低的振动基座是比较合适的选择方案。
考虑到实际应用，本发明采用新型材料碳纤维板作为基体板，充分利用其密度低、强度高的优点，代替了传统研究工作中常用的有机玻璃和环氧树脂等材料。
上述的串联型声子晶体，所述振子的材料为钨合金，振子主体形状为圆柱体，振子与基体板相连的部分为一半径更小的圆柱体，振子中心设有贯穿的安装通孔，通过紧固螺栓由上至下贯穿而固连在声子晶体基体板上。
本发明中所述的基体板上(纵向)设有4个冲孔型振动基座，4个冲孔型振动基座(纵向)后侧串联有4个双螺旋型振动基座。此配比是经过优化筛选后确定的最佳配比。
本发明的有益效果是，本发明串联型声子晶体采用串联的方法综合利用两种具有不同带隙特征的声子晶体结构，很大范围上拓宽了低频振动衰减的频带宽度，有效的解决了超低频隔振频带过窄的问题，且较单一的某一种声子晶体的传输特性产生了更好的衰减效果和更大范围的衰减，低频衰减量产生了更大的提高。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是图1中基体板的结构示意图。
图3是双螺旋型声子晶体、冲孔型声子晶体和本发明的串联结构声子晶体传输特性曲线的对比图。
图4是本发明的串联结构声子晶体传输特性曲线图。
具体实施方式
一种串联结构声子晶体，设有基体板，其特征在于所述的基体板上纵向串联设有至少两种具有不同带隙特征的振动单元。基体板的横向上设有至少一列振动单元，可以根据实际的振动范围任意调整基体板横向上振动单元的列数。每列振动单元由至少两种具有不同带隙特征的振动单元在基体板（纵向）上周期性排列而成；在每个周期内，每种振动单元至少一个。中所述的振动单元由振动基座和振子组成；振子固连在振动基座上。所述的振动基座是采用去除材料法在基体板上加工而成，用于安装振子、可为振子提供振动支撑。振动单元以结构和材料差异来区分不同种类，如振动基座的形状不同，又如振子的材料及形状不同。
本发明对于周期内串联的声子晶体类型、数目以及出现顺序没有限制。在一个周期内，同一种类型的声子晶体单元可以在不同位置以不同数目出现。
如图1、2所示的串联结构声子晶体,设有基体板4，基体板4上纵向串联设有两种具有不同带隙特征的振动单元；振动单元由振动基座和振子组成；其中一种振动单元的振动基座是冲孔型振动基座，其结构为：基体板上设有振子安装孔5，以振子安装孔5为中心圆形阵列有振动孔6；另一种振动单元的振动基座是双螺旋型振动基座，其结构为：基体板上设有振子安装孔，以振子安装孔为中设有环绕振子安装孔的平面双螺旋状槽口7。振子由呈阶梯台状（即“凸”字形）的上振子2和下振子3组成，上振子2和下振子3小直径一端（凸字头部）相对的设在基体板上振子安装孔的上下两侧，上振子2和下振子3中部与振子安装孔相对处设有安装通孔，安装通孔内设有紧固螺栓1。紧固螺栓1穿过振子安装孔将上振子和下振子、经螺母将上振子和下振子固连在振动基座上。双螺旋型振动基座上安装振子形成双螺旋型振动单元，冲孔型振动基座上安装振子形成冲孔型振动单元。从图1和图2中可以看出，基体板上(纵向)设有4个冲孔型振动单元，4个冲孔型振动单(纵向)后侧串联有4个双螺旋型振动单元；构成本发明的串联结构声子晶体。基体板采用新型材料碳纤维板作为基体板，碳纤维板的密度为1740（kg/m3）、杨氏模量为21E/1010Pa、泊松比为0.307；充分利用其密度低、强度高的优点，代替了传统研究工作中常用的有机玻璃和环氧树脂等材料。所述振子（上振子和下振子）的材料为钨合金，钨合金的密度为16200（kg/m3）、杨氏模量为35.41E/1010Pa、泊松比为0.3505；振子主体形状为圆柱体，振子与基体板相连的部分为一半径更小的圆柱体，振子中心设有贯穿的安装通孔，通过紧固螺栓由上至下贯穿、经螺母固连在基体板上。
选择上述的基体板上纵向设有4个冲孔型振动单元，4个冲孔型振动单后侧纵向串联有4个双螺旋型振动单元而形成的串联结构声子晶体做振动传输特性试验。同时选择基体板上纵向设有8个冲孔型振动单元的冲孔型声子晶体和基体板上纵向设有8个双螺旋型振动单元的双螺旋型声子晶体做振动传输特性试验。传输特性试验的方法为：声子晶体输入端加入正弦扫频激励，分别提取输入端的加速度激励信号和输出端的加速度响应信号，经过计算得到传输特性曲线。仿真测得的上述三种声子晶体的传输特性的对比图如图3所示。虚线为冲孔型声子晶体的传递特性曲线，点划线表示双螺旋结构声子晶体的传递特性曲线，实线表示串联结构声子晶体的传递特性曲线。经过扫频试验所得的数据与仿真吻合。在该项振动传输特性试验的声子晶体中，组成声子晶体的所有冲孔型振动单元的材质、尺寸和结构相同，所有的双螺旋型振动单元的材质、尺寸和结构相同；提高试验结果的真实可靠性。
对上述的基体板上纵向设有4个冲孔型振动单元，4个冲孔型振动单后侧纵向串联有4个双螺旋型振动单元而形成的串联结构声子晶体做振动传输特性试验。测得的该种串联结构声子晶体的频响曲线如图4所示。从图中可以看出，该声子晶体串联结构实现了16-4687Hz范围内振动有效衰减，平均衰减量达100dB。同时，碳纤维还能够很大程度上确保声子晶体板的强度，使其更具有推广应用的价值。
本发明串联型声子晶体采用串联的方法综合利用两种具有不同带隙特征的声子晶体结构，很大范围上拓宽了低频振动衰减的频带宽度，有效的解决了超低频隔振频带过窄的问题，且较单一的某一种声子晶体的带隙特性产生了更好的衰减效果和更大范围的衰减，低频衰减量产生了更大的提高。

Claims (10)

1.一种串联结构声子晶体，设有基体板，其特征在于所述的基体板上设有至少两种具有不同带隙特征的振动单元。
2.根据权利要求1所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述的基体板的横向上设有至少两列振动单元，每列振动单元由至少两种具有不同带隙特征的的振动单元在基体板纵向上周期性排列而成；在每个周期内，每种振动单元至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的串联结构声子晶体，其特征在所述的振动单元由振动基座和振子组成；振子固连在振动基座上。
4.根据权利要求3所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述的振动基座是采用去除材料法在基体板上加工而成，用于安装振子、可为振子提供振动支撑。
5.根据权利要求4所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述的基体板上纵向设有4个冲孔型振动基座，4个冲孔型振动基座纵向串联有4个双螺旋型振动基座。
6.根据权利要求5所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述的振动基座一种是冲孔型振动基座，其结构为：基体板上设有振子安装孔，以振子安装孔为中心圆形分部有振动孔。
7.根据权利要求5或6所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述的振动基座另一种是双螺旋型振动基座，其结构为：基体板上设有振子安装孔，以振子安装孔为中设有环绕振子安装孔的平面双螺旋状槽口。
8.根据权利要求7所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述的振子由呈阶梯台状的上振子和下振子组成，上振子和下振子相对的设在基体板上振子安装孔的上下两侧，上振子和下振子中部与振子安装孔相对处设有安装通孔，安装通孔内设有紧固螺栓。
9.根据权利要求8所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述的基体板采用新型材料碳纤维板制成。
10.根据权利要求9所述的串联结构声子晶体，其特征在于所述振子的材料为钨合金，振子主体形状为圆柱体，振子与基体板相连的部分为一半径更小的圆柱体，振子中心设有贯穿的安装通孔，通过紧固螺栓由上至下贯穿而固连在声子晶体基体板上。
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