CN108468738B - 基于气囊式的三维声子晶体减振装置 - Google Patents

基于气囊式的三维声子晶体减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于气囊式的三维声子晶体减振装置，包括散射体、碟形气囊、上格栅板、下格栅板、平板、充气管路、气阀装置、储气罐。碟形气囊贴合在散射体上形成散射单元，散射单元粘接在格栅板上形成二维声子晶体结构，二维声子晶体结构在第三维度延拓形成三维声子晶体结构。局域共振声子晶体在特定频率范围内的弹性波激励下，散射单元发生共振，消耗弹性波传递的能量，与弹性波长波行波相互作用，对振动弹性力波起到抑制作用，本发明的结构能够通过调整碟形气囊的充气量调节散射单元的连接刚度，进而调整声子晶体的减振频带区间。

Description

基于气囊式的三维声子晶体减振装置
技术领域
本发明涉及一种基于气囊式的三维声子晶体减振装置，属于减振降噪技术领域。
背景技术
随着科技的发展和生活质量的提高，各个领域对机械结构的振动噪声的要求越来越高。工程中由于振动或冲击而产生的共振、疲劳破坏等问题影响机械结构寿命和精密仪器的工作精度，还会产生噪声，危害人体的生命健康。在实际工程中抑制机械结构的振动和噪声具有重要意义。
声子晶体的带隙特性能显著抑制甚至禁止在禁带范围内的振动弹性波的传播。基于带隙特性，声子晶体在减振降噪中具有广泛应用。一方面可以为高精密加工系统提供一定频率范围内的低振动加工环境，保证较高的加工精度，另一方面可以为机械结构提供低振动的传播途径，延长产品的使用寿命。
近年来，人们对声子晶体用于抑制振动和噪声的研究从未停歇，如专利申请号201611244380.9公开了一种用于舰船隔振的声子晶体结构：基于局域共振原理，声子晶体基体为蜂窝结构分布，弹簧置于蜂窝的内壁上，钨块通过弹簧与基体相连，但该结构并不能抑制三维方向的振动，也不能调整带隙范围。专利申请号201410377170.1公开了一种基于形状记忆合金带隙可调的声子晶体隔振器，该专利基于形状记忆合金的形状记忆效应，实现声子晶体带隙的调节，但该结构是一维声子晶体隔振器，只能在一维方向调整带隙。针对现有声子晶体减振装置的不足，本发明提供了一种能够在三维方向调整刚度，进而调整带隙的局域共振型声子晶体减振装置。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于气囊式的三维声子晶体减振装置，是一种能够在三维方向调整刚度，进而调整带隙的局域共振型声子晶体减振装置。
本发明的目的是这样实现的：包括由第一平板、设置在第一平板上端的下格栅板、设置在下格栅板上端的上格栅板、设置在上格栅板上端的第二平板、设置在栅格板的栅格内的散射单元构成的二维声子晶体结构，所述下格栅板上端面、上格栅板下端面分别设置有绕过成排的栅格的呈蛇形布置的沟槽且沟槽中安装有输气管路，所述散射单元包括散射体和对称设置在散射体外表面上的碟形气囊，且各个碟形气囊通过连接管连通，其中一个碟形气囊上设置有与输气管路相连通的气囊充气口，所述二维声子晶体结构至少有三个且上下布置，位于中间层的二维声子晶体结构与相邻的二维声子晶体结构共用相接触的平板，最下层的二维声子晶体结构的输气管路的一端、最上层的二维声子晶体结构的输气管路的一端分别与气阀装置连接，最下层的二维声子晶体结构的输气管路的另一端、最上层的二维声子晶体结构的输气管路的另一端分别相邻的中间层的二维声子晶体结构的输气管路连接，气阀装置连接储气罐。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述散射体是正方体结构，所述碟形气囊有六个且分别设置在散射体的六个表面上。
2.所述二维声子晶体结构有三个或五个。
3.所述散射体的材料是铅、钨或钢，所述碟形气囊的材料是橡胶或尼龙。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够通过调整碟形气囊的充气量，气囊气压变化，改变散射单元的连接刚度，进而调整声子晶体的减振频带区间；本发明能够满足复杂的隔振要求，适用于各种精密仪器安装平台，隔振平台等；本发明整体结构简单，制造方便，价格低廉，应用范围广。
附图说明
图1：声子晶体散射单元示意图；
图2：二维声子晶体示意图；
图3：格栅板装配示意图；
图4：整体结构示意图；
图中：散射体1、气囊连接管2、碟形气囊3、气囊充气口4、上格栅板5、输气管路6、下格栅板7、封闭的声子晶体8、气阀装置9、储气罐10。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明涉及的声子晶体减振装置包括：散射体，碟形气囊，上格栅板，下格栅板，平板，充气管路，气阀装置，储气罐。碟形气囊贴合在散射体上形成散射单元，散射单元粘接在格栅板上形成二维声子晶体结构，二维声子晶体结构在第三维度延拓形成三维声子晶体结构。局域共振声子晶体在特定频率范围内的弹性波激励下，散射单元发生共振，消耗弹性波传递的能量，与弹性波长波行波相互作用，对振动弹性力波起到抑制作用，本发明的结构能够通过调整碟形气囊的充气量调节散射单元的连接刚度，进而调整声子晶体的减振频带区间。
本发明还包括：
(1)在二维结构可以采用多种散射单元耦合排列的结构方式，由多个不同种类的散射单元周期性嵌套排列耦合。
(2)三维结构可由散射单元在二维周期排列后，将不同种类的散射单元在第三维度上以相同的排列顺序进行拓展层叠，以获得更好的抑制振动的效果。
(3)散射体可选用球形或正方体形状，声子晶体结构可按需设计为正方体或正多边形棱柱。
本发明的散射体1采用铅，钨，钢等材料加工成正方体，橡胶，尼龙等材料制成碟形气囊3，散射体六个面上粘接碟形气囊形成散射单元，六个气囊通过连接管2互相联通，气压相等。基体材料加工为格栅板和平板。格栅板分为上格栅板5和下格栅板7，在下格栅板7上表面和上格栅板5下表面均铣出沟槽用于安装输气管路6。
在第一层平板上粘接第一层下格栅板7，格栅板正交排列N个正方形截面网格，上、下格栅板高度为网格截面边长的一半。在下格栅板7沟槽处粘接输气管路6，在网格内放置散射单元，气囊充气口4与输气管路6密封连通，气囊3与第一层平板和下格栅板7网格壁粘接。上格栅板5下表面与下格栅板7上表面对接粘连，上格栅板5网格壁与气囊3粘接。在上格栅板5上表面粘接第二层平板，制成第一层封闭的二维声子晶体结构。
依照上述方法，在第N层平板上粘接第N层下格栅板7，格栅板正交排列N个正方形界面网格，上、下格栅板高度为网格截面边长的一半。在下格栅板7沟槽处粘接输气管路，在网格内放置散射单元，气囊充气口4与输气管路6密封连通，气囊3与第N层平板和下格栅板7网格壁粘接。上格栅板5下表面与下格栅板7上表面对接粘连，上格栅板5网格壁与气囊3粘接。在上格栅板5上表面粘接第N+1层平板，制成第N层封闭的二维声子晶体结构，形成按照立方晶格排列顺序的三维局域共振型声子晶体结构。
每层二维声子晶体结构输气管路6与上面一层二维声子晶体结构输气管路6密封连接形成通路，第一层输气管路6另一端通过气阀装置9与储气罐10相连作为声子晶体装置进气通道，第N层输气管路另一端通过气阀装置9与储气罐10相连作为声子晶体排气通道，形成完整的气体回路。
使用时通过控制气阀装置9调整充气量，改变气囊4内气体压力，散射体7与格栅板的连接刚度发生变化，进而调整声子晶体的减振频带区间。
实际使用时应考虑以下几种因素：
(1)局域共振型声子晶体单个周期结构可简化为质量-弹簧系统，声子晶体带隙的起始频率f1和截止频率f2由如下公式确定：
Figure BDA0001675618400000031
k为碟形气囊的等效刚度，m1为散射体质量，m2为单个周期结构内格栅板等效质量。首先针对抑制的目标频率范围散射体可以选用铅，钨，钢等多种材料，加工为立方体或球体，碟形气囊选用橡胶、尼龙等材料，充入的气体选用氮气等其他惰性气体，格栅板和平板选用钢、木材、密度板、碳纤维复合材料等满足空间尺寸及工作环境对强度、刚度、耐腐蚀、阻燃、工装等要求。声子晶体制成后，根据复杂的振动情况，调整碟形气体内的充气量，进而调整声子晶体的减振频带区间。
(2)声子晶体结构根据振动弹性力波载荷大小，工作环境，三维方向不同频率弹性力分布，合理选用不同材料、结构的散射体，气囊内充入不同的气体，也可以选用多种组合的散射单元在二维和三维嵌套周期分布。
(3)声子晶体结构根据弹性力波载荷大小，工作环境对强度、刚度、耐腐蚀、阻燃、空间尺寸、工装等要求调整声子晶体周期数目。
(4)声子晶体逐层连接方式根据弹性力波载荷大小，工作环境对强度、刚度、耐腐蚀、阻燃等要求选择粘接，螺栓连接等连接方式。

Claims (5)

1.基于气囊式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：包括由第一平板、设置在第一平板上端的下格栅板、设置在下格栅板上端的上格栅板、设置在上格栅板上端的第二平板、设置在栅格板的栅格内的散射单元构成的二维声子晶体结构，所述下格栅板上端面、上格栅板下端面分别设置有绕过成排的栅格的呈蛇形布置的沟槽且沟槽中安装有输气管路，所述散射单元包括散射体和对称设置在散射体外表面上的碟形气囊，且各个碟形气囊通过连接管连通，其中一个碟形气囊上设置有与输气管路相连通的气囊充气口，所述二维声子晶体结构至少有三个且上下布置，位于中间层的二维声子晶体结构与相邻的二维声子晶体结构共用相接触的平板，最下层的二维声子晶体结构的输气管路的一端、最上层的二维声子晶体结构的输气管路的一端分别与气阀装置连接，最下层的二维声子晶体结构的输气管路的另一端、最上层的二维声子晶体结构的输气管路的另一端分别相邻的中间层的二维声子晶体结构的输气管路连接，气阀装置连接储气罐。
2.根据权利要求1所述的基于气囊式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：所述散射体是正方体结构，所述碟形气囊有六个且分别设置在散射体的六个表面上。
3.根据权利要求1或2所述的基于气囊式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：所述二维声子晶体结构有三个或五个。
4.根据权利要求1或2所述的基于气囊式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：所述散射体的材料是铅、钨或钢，所述碟形气囊的材料是橡胶或尼龙。
5.根据权利要求3所述的基于气囊式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：所述散射体的材料是铅、钨或钢，所述碟形气囊的材料是橡胶或尼龙。
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