CN108099487B - 一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，所述车轮包括轮毂、轮辋以及连接在所述轮毂与轮辋之间的辐板；所述辐板上安装有若干个三维准声子晶体；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。本发明的优点是：对于1000Hz以上的振动，车轮辐板处的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地抑制车轮辐板的振动，从而使得辐射的噪声得到控制；因此该车轮对1000Hz以上的中高频振动与噪声具有较好的减振降噪效果。
Description
技术领域
本发明涉及减振降噪车轮，具体涉及一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮。
背景技术
随着我国经济的快速发展，人民的出行需求日益增加，高速铁路和轨道交通已经成为我国主要交通运输方式之一，在我国经济发展和人民生活水平的提高中起到了举足轻重的作用。我国在大幅度建设高速铁路和城市轨道交通并提升列车的运行速度的同时，给人们的日常出行带来了极大的便利，大大缩短了各城市之间的距离。但也给人们的生活带来了十分不利的影响，高速铁路以及城市轨道交通运行所带来的环境振动与噪声问题日益引起人们的广泛关注，特别是噪声污染问题在国际上被列为七大环境公害之一。
铁路环境振动与噪声问题不仅仅会降低旅客乘车的舒适度，同时会对铁路沿线居民的日常生活和身心健康产生严重的影响。噪声容易使人紧张、易怒、烦躁不安，从而降低工作、学习、生产效率，导致生产时间提高生产质量下降，间接影响铁路沿线的经济效益，在特定条件下有可能成为社会不稳定因素之一。欧美等发达国家在铁路发展早期都曾因为铁路环境振动与噪声问题收到群众的广泛抗议，因此引起国家和有关部门的高度重视，加大了对于铁路减振降噪相关研究的投入。因此在追求高速铁路和城市轨道交通快速发展的同时，改善铁路运行带来的环境振动与噪声问题是目前铁路研究的重要课题。其中车轮所产生的振动与噪声占铁路所产生的振动与噪声总量的很大一部分，但目前已有的阻尼车轮和弹性车轮都存在制造工艺复杂和安全性不足等缺点，无法满足铁路快速安全发展的需求，因此亟需提出一种有效、安全而又易于实现的减振降噪车轮。
已公开的引证文献[1]（黄婧.列车车轮振动与声辐射仿真分析[D]. 华东交通大学, 2014）和引证文献[2]（曾钦娥.高架轨道轮轨噪声预测模型及分析[D]. 华东交通大学）中记载了客车标准车轮的模态分析过程，上述论文中的分析结果表明由于车轮几何形状呈现轴对称性，其振动形式与圆盘类似。标准车轮在0-5000Hz范围内的模态振型主要包括踏面的扭摆振动，辐板的轴、径向振动和踏面辐板的组合振动。其中在0-1000Hz范围内主要表现为踏面的扭摆振动。对于1000Hz以上的振动，虽然上述三者都有表现，但是辐板的振动最为明显。说明车轮在此频段内的主要振动部位是辐板和踏面，车轮辐板面积大，厚度小，所产生的振动也就越大，所以噪声辐射最大的地方也是辐板。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，该减振降噪车轮通过采用三维准声子晶体实现了减振降噪的技术目的。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，所述车轮包括轮毂、轮辋以及连接在所述轮毂与轮辋之间的辐板；所述辐板上安装有若干个三维准声子晶体；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。
所述辐板的侧面安装有盖板，所述辐板的侧面还设置有孔槽；所述三维准声子晶体的一端插设在所述孔槽内部，另一端抵靠在所述盖板的内表面。
所述辐板为环形，所述辐板的圆心与各所述孔槽之间的距离均相等。
所述三维准声子晶体呈六棱柱形；所述三维准声子晶体包括若干个第一声子晶体单元以及若干个第二声子晶体单元；所述第一声子晶体单元以及所述第二声子晶体单元在所述三维准声子晶体的轴向、径向以及圆周方向均交替排列。
所述第一声子晶体单元的声阻抗大于所述第二声子晶体单元的声阻抗。
所述第一声子晶体单元的材质为金属材料或压电陶瓷；所述第二声子晶体单元的材质为弹性材料。
所述第一声子晶体单元包括压电陶瓷芯材以及设置在所述压电陶瓷芯材表面的金属膜。
所述第二声子晶体单元为纯铜丝和弹性材料的混合物；在所述第二声子晶体单元中所述纯铜丝与所述弹性材料的重量比为2:1。
所述弹性材料为橡胶或环氧树脂。
本发明的优点是：（1）对于1000Hz以上的振动，车轮辐板处的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地抑制车轮辐板的振动，从而使得辐射的噪声得到控制；因此该车轮对1000Hz以上的中高频振动与噪声具有较好的减振降噪效果。（2）三维准声子晶体通过螺栓固定在车轮辐板上，三维准声子晶体与车轮之间连接牢固，能够保证更高的安全性，该结构具有制造工艺简单、安装方便且安全性高等优点，能够更好的满足列车长期的高速运行的需求。
附图说明
图1为本发明中轮毂、轮辋以及辐板的侧视图；
图2为本发明中车轮的局部剖视图；
图3为本发明中三维准声子晶体的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-3，图中标记1-9分别为：车轮1、轮毂2、轮辋3、辐板4、轮缘5、三维准声子晶体6、孔槽7、盖板8、声子晶体单元9a、声子晶体单元9b。
实施例1：如图1、2所示，本实施例具体涉及一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，该车轮1包括轮毂2、轮辋3以及辐板4；辐板4呈环形，连接在轮毂2与轮辋3之间；轮辋3的外边缘为踏面，踏面的边缘设置有凸起的轮缘5；在辐板4的外侧面设置有八个三维准声子晶体6。
如图1、2所示，三维准声子晶体6呈六棱柱形，在辐板4的外侧面开设有八个与三维准声子晶体6相适配的孔槽7；孔槽7不贯穿辐板4，每个孔槽7插设有一个三维准声子晶体6；在辐板4的外侧面还设置有盖板8，盖板8通过螺栓与辐板4进行固定连接；三维准声子晶体6的一端插设在孔槽7内部，另一端抵靠在盖板8的内表面；盖板8可以对三维准声子晶体6起到限位作用，可有效防止三维准声子晶体6从孔槽7中脱落；辐板4的圆心与各孔槽7之间的距离均相等；各孔槽8沿辐板4的圆周方向等间距分布。
如图1、2所示，本实施例中三维准声子晶体6为Bragg型声子晶体；对于1000Hz以上的振动，三维准声子晶体6具有弹性波禁带的特性，因此三维准声子晶体6可有效抑制1000Hz以上的振动及噪声。
如图3所示，本实施例中，三维准声子晶体6由两种声子晶体单元9（声子晶体单元9为第一声子晶体单元9a和第二声子晶体单元9b的统称）紧密拼接构成；两种三维准声子晶体6具有不同的声阻抗，本实施例中第一声子晶体单元9a的声阻抗大于第二声子晶体单元9b的声阻抗。
具体的，在六棱柱形的三维准声子晶体6中，各个第一声子晶体单元9a以及各个第二声子晶体单元9b在三维准声子晶体6的轴向e、径向f以及圆周方向g均交替排列；上述的排列方式使得每个第一声子晶体单元9a仅和第二声子晶体单元9b之间存在相互贴合公共面，同时每个第二声子晶体单元9b仅和第一声子晶体单元9a之间存在相互贴合公共面；相同类型的声子晶体单元9之间不存在公共面；这种排列方式使得三维准声子晶体6具有布拉格散射型衰减域，因此衰减域范围内的弹性波将发生相消干涉，无法在三维准声子晶体6的周期性结构中进行传递，从而阻断车轮1中的径向、扭转和轴向弹性波的传播，使得车轮1的振动与噪声得到有效控制；因此三维准声子晶体6能够显著减小车轮1运行时所产生的振动与噪声。
本实施例中，第一声子晶体单元9a的材质为金属材料或压电陶瓷；第二声子晶体单元9b由弹性材料制成；金属材料可以是钢材或其他硬质合金；弹性材料可以是橡胶或环氧树脂。
实施例2：如图1至3所示，本实施例中，第一声子晶体单元9a和第二声子晶体单元9b的排列方式和实施例1相同；二者的区别在于声子晶体单元9的结构。
在本实施例中，第一声子晶体单元9a包括压电陶瓷芯材以及设置在压电陶瓷芯材表面的金属膜；金属膜为纯铜膜，金属膜采用沉铜工艺制备在压电陶瓷芯材的表面；当弹性波传播至第一声子晶体单元9a时，压电陶瓷芯材会在弹性波的作用下振动，并将部分振动能量转化为电能，设置在压电陶瓷芯材表面的金属膜可立即将压电陶瓷表面的电荷通过电阻效应消耗掉；通过上述过程第一声子晶体单元9a可以将部分振动能量转换为热能，从而起到减震降噪的效果。
金属膜消耗掉的电能大多转化为热能，为了便于第一声子晶体单元9a散热，在第二声子晶体单元9b的弹性材料中掺入纯铜丝；纯铜丝和弹性材料的重量比为2:1；在金属材料中，纯铜具有仅次于纯银的导热率，掺入纯铜丝后，第二声子晶体单元9b可以快速地将第一声子晶体单元9a产生的热量传输至周边环境中；本实施例中弹性材料可以采用橡胶或环氧树脂。
本实施例的有益技术效果为：（1）对于1000Hz以上的振动，车轮辐板处的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地抑制车轮辐板的振动，从而使得辐射的噪声得到控制；因此该车轮对1000Hz以上的中高频振动与噪声具有较好的减振降噪效果。（2）三维准声子晶体通过螺栓固定在车轮辐板上，三维准声子晶体与车轮之间连接牢固，能够保证更高的安全性，该结构具有制造工艺简单、安装方便且安全性高等优点，能够更好的满足列车长期的高速运行的需求。
Claims (6)
1.一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，所述车轮包括轮毂、轮辋以及连接在所述轮毂与轮辋之间的辐板；其特征在于所述辐板上安装有若干个三维准声子晶体；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成；所述辐板的侧面安装有盖板，所述辐板的侧面还设置有孔槽；所述三维准声子晶体的一端插设在所述孔槽内部，另一端抵靠在所述盖板的内表面；所述辐板为环形，所述辐板的圆心与各所述孔槽之间的距离均相等；所述三维准声子晶体呈六棱柱形；所述三维准声子晶体包括若干个第一声子晶体单元以及若干个第二声子晶体单元；所述第一声子晶体单元以及所述第二声子晶体单元在所述三维准声子晶体的轴向、径向以及圆周方向均交替排列。
2.根据权利要求1所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，其特征在于所述第一声子晶体单元的声阻抗大于所述第二声子晶体单元的声阻抗。
3.根据权利要求1所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，其特征在于所述第一声子晶体单元的材质为金属材料或压电陶瓷；所述第二声子晶体单元的材质为弹性材料。
4.根据权利要求1所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，其特征在于所述第一声子晶体单元包括压电陶瓷芯材以及设置在所述压电陶瓷芯材表面的金属膜。
5.根据权利要求1所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，其特征在于所述第二声子晶体单元为纯铜丝和弹性材料的混合物；在所述第二声子晶体单元中所述纯铜丝与所述弹性材料的重量比为2:1。
6.根据权利要求3或5所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的车轮，其特征在于所述弹性材料为橡胶或环氧树脂。
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