CN106795713B - 非线性动力吸收器及其用于隔音的用法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建筑元件，其包括刚性材料制成的薄板(11)和至少一个非线性动力吸收器(9)，非线性动力吸收器(9)包括：‑具有两个末端部分(2a)和一个非线性弹簧功能的中间部分(2b)的叠片(1)，‑质点(3)，其紧固至叠片的非线性弹簧功能的中间部分(2b)，‑紧固构件(4)，其准许将叠片(1)的两个末端部分(2a)紧固在实心支座上，使得非线性弹簧功能的中间部分(2b)能在其一个或多个平衡位置周围振荡，非线性动力吸收器(9)通过紧固构件(4)以刚性方式紧固在薄板(11)上。本发明还涉及一种包含这样的建筑元件的隔墙，以及使用这样的吸收器或建筑元件来降低墙壁的透音度的用法。
Description
技术领域
本发明涉及一种非线性动力吸收器及其用于改善被墙壁隔开的两个空间之间的隔音的用法。
背景技术
确保被墙壁隔开的两个房间之间的隔音典型地要么是通过增加墙壁的表面密度(masse surfacique)，要么是通过给所述墙壁加衬里。在双层隔墙的情况下，可以将隔音材料插置在两个隔板之间的气隙中，该隔音材料典型地是矿棉垫或弹性泡沫。
从声学角度看，这样的双层隔墙不管是否衬有隔离材料，在低频下都表现为质点-弹簧-质点系统，其中两个薄板之间的气隙或隔离材料衬板起到将它们彼此联接的弹簧的作用。图1示出了带有或者不带隔离衬板的这样的双层隔墙的消音指数(NF EN ISO 140-3)怎样随着其声音频率而变化。
其中存在低频(大约在100-150 Hz)的称为“呼吸”频率的第一特性消音(f0)，其对应于系统的反相移动，以及高频(2000 Hz与3000 Hz之间)的称为重合频率的第二特性消音(fc)，其中入射声波的波长与薄板中的弯曲波的波长“重合”。
本发明的目标是降低墙壁、尤其是双层隔墙在低频域中(也即大约50 Hz与150 Hz之间的频率)的透音度，而且无需加设补充隔音层和增加隔墙的总厚度。
这个目标是通过一种尺寸适度的装置实现的，该装置紧固在墙壁的合适位置上，能够通过适应墙壁的固有变化而减轻甚至消除墙壁在呼吸频率下的谐振。基于薄板的这种谐振衰减的该物理现象称为能量泵吸(英语是energy pumping或non-linear targetedenergy transfer)。(例如参照O. Gendelman等人所著的《Energy pumping in non-linearmechanical oscillators》，第I和第II部分，J. Appl. Mech, 68 (2001) 34-48)。
能量泵吸这个名字是指从主要结构(一般是线性振荡器)向由基本上非线性的振荡器构成的辅助结构的不可逆的振动能量传递。辅助结构由质点通过非线性弹簧(可能是阻尼器)联接至主要结构构成，它没有固有谐振频率，并且能在任何频率下振荡。从主要结构的振动能量阈值开始，主要结构的振动能量被传递到辅助结构，从而减轻主要结构的振幅。
称为非线性动力吸收器(英文是non-linear energy sink，缩写为NES)的辅助结构的尺寸优选地明显小于主要结构。
能量泵吸广泛地用于多种多样的应用，例如建筑物和工程构造的防震保护，以及车辆的动力性能和船只稳定性能的提高。
本申请人认识到，迄今为止尚未有人设想过利用能量泵吸来降低分隔建筑物的两个空间或者分隔建筑物的内部与外部的墙壁的透音度。
本申请人研发了这样一种非线性动力吸收器，其既简单又牢固并且很轻，它可以简单地紧固在设计成用作墙壁或隔墙的薄板上，例如吊顶元件、地砖、单层或双层隔墙、内衬元件等等。
发明内容
本发明的非线性动力吸收器包括作为主要元件的叠片(lame)，叠片的两个末端嵌入在支座中(末端不是自由的)，小质点紧固在该叠片上。在动力载荷的情况下，此叠片表现得像非线性弹簧，在包含载荷频率的频率范围中在它的一个或多个平衡位置周围振荡，从而准许从主要谐振器(也即其上紧固着非线性吸收器的薄板)朝非线性动力吸收器的不可逆的振动能量传递。
因此本发明的一个目的是一种非线性动力吸收器，其包括：
-具有两个末端部分和非线性弹簧功能的一个中间部分的叠片，
-质点，其紧固至叠片的非线性弹簧功能的中间部分，
-紧固构件，其准许将叠片的两个末端部分紧固在实心支座上，使得非线性弹簧功能的中间部分能在它的一个或多个平衡位置周围振荡。
本发明的非线性动力吸收器因此包括三个主要构件：
-用于将叠片紧固至主要结构的紧固构件，该主要结构的振动要减轻，
-具有两个非自由末端的叠片，两个非自由末端嵌入在紧固构件中，以及
-小质点，其紧固在叠片的位于两个嵌入末端部分之间的“自由”中间部分上。
当此动力吸收器受到具有足够能量和适当频率的振动载荷时，小质点以不同于激发频率的频率、在垂直于叠片的主要平面的平面中振荡，叠片的中间部分于是用作非线性弹簧，其将质点联接至紧固构件和紧固着动力吸收器的主要结构上。
叠片可以由任何高杨氏模量(一般大于50 GPa、优选地大于60 GPa、且尤其大于70GPa)的刚性弹性材料构成。
它优选地是金属叠片。
该质点优选地紧固在叠片的非线性弹簧功能的中间部分的中心部分(更准确地说是在中间的三分之一)中，但是此位置并不是唯一能设想的位置，该质点完全可以具有偏心位置。
该质点可以由与叠片的材料相同或不同的材料制成。与叠片一样，该材料优选地是金属材料。例如可以设想质点和叠片形成为单一件，该质点于是对应于叠片的中间部分的凸起。
叠片优选地受到应力，尤其是压缩应力或扭转应力。此应力表现为形成薄叠片的弹簧的刚度减小。本申请人执行的试验显示，此应力还有这样的有利效果：能降低能量泵吸现象的触发阈值，并增加动力吸收器的效率。
叠片优选地不受拉伸应力，拉伸应力可能会降低甚至抵消非线性动力吸收器的效力(可能因为弹簧刚度和触发阈值的增高)。
压缩应力或扭转应力优选地足够大，以在叠片上施加弹性屈曲，也即，可逆屈曲，此屈曲随应力的释放而消失。在本发明的非线性动力吸收器的一个优选实施方案中，叠片受到压缩应力，压缩应力在叠片上施加弹性屈曲。
屈曲后的叠片(也即，在叠片平面中受到压缩应力)具有两个稳定平衡点，而不是像未受压缩应力的叠片，只具有单个稳定平衡点。
叠片的弹性屈曲不应过大。这是因为，当屈曲度超过某个值时，两个稳定平衡位置之间的转变变得太难，这样非线性弹簧只会在单个稳定平衡位置周围振荡。
弹性屈曲有利地小于10%、优选地小于6%、尤其小于4%，此百分比是相对于非线性弹簧功能的中间部分的长度表达的。
还可以通过表示变形量与叠片厚度的比例来表达叠片屈曲。在本发明的非线性动力吸收器中，此比例优选地小于100，尤其小于50，理想地小于30。
在本发明的非线性动力吸收器的一个优选实施方案中，紧固构件由单一件构成，该单一件包括用于嵌入叠片的末端部分的两个嵌入构件。此实施方案在使用屈曲叠片的情况下尤其是有利的，因为这样无需将紧固构件附接至主要结构，就能调节叠片中的压缩应力。
理论上，紧固构件也可以由两个不同的零件构成，每个零件都包括叠片的一个末端的嵌入构件。此实施方案在将非线性动力吸收器紧固在要减轻振动的主要结构上之后必须调节叠片中的应力。
紧固构件应由具有足够刚性的材料制成，从而将振动从主要结构传递至构成叠片的非线性弹簧。该材料优选地是弹性模量足够高(一般大于1.5 GPa)的聚合物材料。
本申请人执行的试验使用的非线性动力吸收器的紧固构件由ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)制成。ABS是一种热塑基质的双相(丙烯腈-苯乙烯)复合材料，其中散布着弹性体(丁二烯)结节。这些结节在非线性动力吸收器的振动能量的消散方面起到重要作用。另一种可能特别适合形成紧固构件的这种类型的双相材料是抗冲击聚苯乙烯，这是一种聚(苯乙烯-b-丁二烯)嵌段共聚物，其中聚丁二稀弹性体结节散布在聚苯乙烯基质中。
在本发明的一个吸引人的实施方案中，紧固构件因此由双相聚合物材料形成，这种材料包括刚性热塑基质(高杨氏模量)和散布在热塑基质中的弹性体相(低杨氏模量)。
本发明的动力吸收器优选地具有垂直于叠片的纵轴线的对称平面。
在动力吸收器的一个特别优选的实施方案中，紧固构件包括从共用的底部对称地延伸的两个分支。用于嵌入叠片末端部分的两个构件于是分别位于两个分支上，优选地在每个分支的末端处或末端旁边，在相互对称的两个位置上。
非线性动力吸收器可以具有例如U形的、Y形的或者V形的整体形状，从而准许在U形、Y形或V形的底部处紧固在支座上。
在一个有利的实施方案中，这两个嵌入构件是两个夹钳。
紧固在中间部分上的质点的重量有利地在1 g与200 g之间，优选地在2 g与100 g之间，尤其在3 g与50 g之间，且理想地在5 g与30 g之间。
叠片的中间部分的长度有利地在1 cm与50 cm之间、优选地在3 cm与30 cm之间，且尤其在5 cm与20 cm之间。
叠片的中间部分的厚度有利地在0.05 mm与5 mm之间、优选地在0.1 mm与3 mm之间，尤其在0.5 mm与2 mm之间。
最后，叠片的中间部分的宽度有利地在1 mm与50 mm之间、优选地在2 mm与30 mm之间，尤其在5 mm与20 mm之间。
由本申请人构造的和试验的、且下文中更详细说明的非线性动力吸收器包括叠片，叠片的中间部分的长度为12 cm，厚度为0.1 mm，宽度为0.5 cm，一个3 g的质点紧固在叠片的中心上。
如介绍中所述，本发明的非线性动力吸收器用于改善被包括至少一个薄板的墙壁隔开的两个空间之间的隔音。此墙壁可以将建筑物的内部与外部隔开，或者可以将建筑物或铁路交通工具、海上交通工具、机动交通工具或航空交通工具的两个房间隔开。
此墙壁可以是薄板形状的建筑元件，或者可以包括多个建筑元件，每个元件包括至少一个薄板。在所有例子中，非线性动力吸收器都通过紧固构件直接紧固在建筑元件的这个或这些薄板上。
因此本申请的另一个目的是一种建筑元件，它包括：
-至少一个刚性材料薄板；以及
-至少一个如上所述的非线性动力吸收器，起通过动力吸收器的紧固构件以刚性方式紧固在薄板上。
本申请的另一个目的是一种隔墙或墙壁，尤其是建筑物或或铁路交通工具、海上交通工具、机动交通工具或航空交通工具的隔墙或墙壁，其包括带有如上所述的非线性动力吸收器的这样的建筑元件。此隔墙或墙壁优选地是双层隔墙或双层墙壁。
形成薄板的刚性材料的杨氏模量一般大于0.1 GPa、优选地大于1 GPa，尤其大于或等于3 GPa。
薄板可以由从例如玻璃、混凝土、金属、石膏、塑料材料、木材或复合材料中选出的材料制成。
在一个优选实施方案中，建筑元件包括至少一个石膏板。
在另一个优选实施方案中，该建筑元件构成双层隔墙的一部分，也即，该建筑元件包括两个相互平行的薄板，这两个薄板通过中间空间(也称为气隙)隔开。实际上，这些包括两个通过气隙联接的薄板的双层隔墙会造成如下问题：在对应于系统的“呼吸”频率的低频频域中，透音度很高。透音度的这个问题在这两个薄板是石膏板的情况下尤其明显，这些薄板一般紧固在轨道及/或立柱(优选地是金属)的框架上。
在两个薄板之间限定的中间空间优选地至少部分地用隔音材料填充。
一般而言，非线性动力吸收器优选地紧固在薄板上，使得动力吸收器的叠片的平面基本上平行于薄板的平面。
该建筑元件可以包括一个或多个非线性动力吸收器。出于明显的审美方面的原因，在建筑元件构成双层隔墙的一部分的情况下，非线性动力吸收器优选地紧固在面朝双层隔墙内部的至少一个表面上。
然而，在现有墙壁的隔音设计的背景下，吸音器可以紧固在墙壁的容易接近的可见表面上。
为了优化非线性动力吸收器的效率，需要将非线性动力吸收器安装在薄板上薄板振幅最大的位置上。因为，能量泵吸直到超过某个振动能量阈值水平才会开始，并且非线性动力吸收器用于隔音的主要难点是要尽可能降低这个触发阈值。因此，需要将非线性动力吸收器安装在薄板上薄板振荡最强的位置上。此位置一般在薄板表面离固定边缘最远的半边上。
当双层隔墙的中间空间中填充着隔离材料时，非线性动力吸收器可以容纳在薄板内表面上凿出的凹部中，或者在隔离材料中凿出的凹部中，使得它不会与隔离材料接触。在另一个变型中，可以只用隔离材料填充中间空间的一部分，而非线性动力吸收器可以安装在未填充的部分中。
最后，本发明的目的是使用如下所述的非线性动力吸收器或容纳着这样的非线性动力吸收器的建筑元件来降低墙壁的透音度。
此使用包括例如一种降低墙壁的透音度的方法，该墙壁将建筑物的两个房间隔开或者将建筑物的内部与外部隔开，这包括将根据本发明的非线性动力吸收器紧固在所述墙壁上，优选地紧固在所述墙壁的一个薄板上。
当然，上述所有关于非线性动力吸收器或包括非线性动力吸收器的建筑元件的实施方案还适用于使用这些物品来降低墙壁的透音度。
附图说明
现在参照附图更详细地说明本发明，附图中：
图1是示出双层隔墙的消音指数如何随着要被阻止穿过墙壁的声音的频率而变的曲线图；
图2是根据本发明的非线性动力吸收器的透视图，
图3是图2的根据本发明的动力吸收器的从上面看的视图，图中示出了非线性弹簧功能的叠片的两个稳定平衡位置；
图4示出了包括根据本发明的非线性动力吸收器的双层隔墙的剖视图。
具体实施方式
图1已经在介绍中进行了讨论。其示出了本发明要解决的技术问题，也即双层墙壁在称为“呼吸”频率的低频(大约100-150 Hz)下的透音度(f0)增加，对应于双层墙壁的两个薄板的反相谐振。
图2中示出了本发明的非线性动力吸收器9，它包括扁平Y形的紧固构件4。此紧固构件包括底部7，两个分支6从底部7对称地延伸。每个分支6的末端上设有嵌入构件5，嵌入构件5的夹紧可以通过螺丝来调节。两个嵌入构件5固持金属叠片1的末端部分(图中看不到)。当叠片的中间部分2b因为非线性动力吸收器9紧固在其上的主要谐振器(未示出)的振动而被激活时，叠片的中间部分2b可以自由振动。小质点3紧固在叠片1的中心上。
图3示出了同一个非线性动力吸收器，它的叠片1受到压缩应力，该压缩应力是沿着叠片的纵向对称轴线施加的。此压缩应力的生成是因为叠片的中间部分2b比两个嵌入构件分开的距离更长，叠片的中间部分2b包括在嵌入在嵌入构件5中的两个末端部分2a之间。此压缩应力在叠片1上施加屈曲。这两张图每个都示出了屈曲后的叠片1的一个稳定平衡位置。在工作过程中，也即，当根据本发明的非线性动力吸收器牢固地紧固在受到充分振动的薄板上时，叠片可以从一个稳定平衡位置转入另一个稳定平衡位置。
最后，图4用非常示意性的方式示出了根据本发明的非线性动力吸收器9，它紧固在构成根据本发明的建筑元件的一部分的薄板11的凹部中。在这里此建筑元件是由两个薄板11构成的双层隔墙，在这两个薄板11之间限定了中间空间8，其中填充着隔离材料10。非线性动力吸收器紧固在薄板上，使得叠片的平面(图中看不到)基本上平行于薄板11的整体平面。
Claims (15)
1.一种隔墙，其将建筑物的内部与外部隔开，或者将建筑物或铁路交通工具、海上交通工具、机动交通工具或航空交通工具的两个房间隔开，所述隔墙包括建筑元件，其包括刚性材料制成的至少一个薄板(11)和至少一个非线性动力吸收器(9)，所述非线性动力吸收器(9)包括：
-叠片(1)，其具有两个末端部分(2a)和一个非线性弹簧功能的中间部分(2b)，所述叠片受到对其施加弹性屈曲的压缩应力，
-质点(3)，其紧固至所述叠片的非线性弹簧功能的中间部分(2b)，
-紧固构件(4)，其准许将所述叠片(1)的两个末端部分(2a)紧固在实心支座上，使得所述非线性弹簧功能的中间部分(2b)能够在其平衡位置或多个平衡位置周围振荡，
所述非线性动力吸收器(9)通过所述紧固构件(4)以刚性方式紧固在所述薄板(11)上。
2.根据权利要求1所述的隔墙，其特征在于，所述弹性屈曲小于10%，此百分比是相对于所述非线性弹簧功能的中间部分的长度表达的。
3.根据权利要求2所述的隔墙，其特征在于，所述弹性屈曲小于6%。
4.根据权利要求3所述的隔墙，其特征在于，所述弹性屈曲小于4%。
5.根据权利要求1-4中的一项所述的隔墙，其特征在于，所述质点(3)紧固在所述叠片的非线性弹簧功能的中间部分(2b)的中心部分上。
6.根据权利要求1-4中的一项所述的隔墙，其特征在于，所述叠片是金属叠片。
7.根据权利要求1-4中的一项所述的隔墙，其特征在于，所述紧固构件(4)由单一件构成，所述单一件包括嵌入所述叠片的末端部分(2a)的两个嵌入构件(5)。
8.根据权利要求7所述的隔墙，其特征在于，所述紧固构件(4)包括两个分支(6)，所述两个分支(6)从共同的底部(7)对称地延伸，所述两个嵌入构件(5)分别位于所述两个分支上。
9.根据权利要求8所述的隔墙，其特征在于，所述两个嵌入构件(5)分别在每个分支的末端处或末端附近。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的隔墙，其特征在于，所述非线性动力吸收器紧固在所述薄板上，使得所述吸收器的所述叠片(1)的平面基本上平行于所述薄板的平面。
11.根据权利要求1-4中的一项所述的隔墙，其特征在于，所述薄板(11)或者这些薄板中的至少一个薄板是石膏板。
12.根据权利要求1-4中的一项所述的隔墙，其特征在于，其包括两个薄板(11)，所述两个薄板(11)相互平行并且被中间空间(8)隔开。
13.根据权利要求12所述的隔墙，其特征在于，这两个薄板(11)是石膏板，紧固在轨道及/或立柱框架上。
14.根据权利要求12所述的隔墙，其特征在于，这两个薄板(11)之间的中间空间(8)用隔音材料(10)填充。
15.一种建筑元件的用法，所述建筑元件包括刚性材料制成的至少一个薄板(11)和至少一个非线性动力吸收器(9)，所述非线性动力吸收器(9)包括：
-叠片(1)，其具有两个末端部分(2a)和一个非线性弹簧功能的中间部分(2b)，所述叠片受到对其施加弹性屈曲的压缩应力，
-质点(3)，其紧固至所述叠片的非线性弹簧功能的中间部分(2b)，
-紧固构件(4)，其准许将所述叠片(1)的两个末端部分(2a)紧固在实心支座上，使得所述非线性弹簧功能的中间部分(2b)能够在其平衡位置或多个平衡位置周围振荡，
所述非线性动力吸收器(9)通过所述紧固构件(4)以刚性方式紧固在所述薄板(11)上，用来降低隔墙的透音度，所述隔墙将建筑物的内部与外部隔开，或者将建筑物或铁路交通工具、海上交通工具、机动交通工具或航空交通工具的两个房间隔开。
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