CN108662081A - 基于压紧力式的三维声子晶体减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于压紧力式的三维声子晶体减振装置，包括上层基体、至少一个中间层基体、下层基体，还包括四个压紧板和两个带有安装块的压紧板，所述上层基体的下表面、中间层机体的上表面和下表面、下层基体的上表面分别设置有半球孔阵列，且在相应基体的上表面的半球孔阵列的半球孔中分别设置有散射单元，所述散射单元包括球形的散射体和设置在散射体外的两个空心半球形的包裹层，上层基体、中间层基体、下层基体、散射单元构成声子晶体块，所述两个带有安装块的压紧板通过压紧螺栓设置在声子晶体块的上下两个端面上，所述四个压紧板通过压紧螺栓设置在声子晶体块的四个侧面上。本发明整体结构简单，制造方便，价格低廉，应用范围广。

Description

基于压紧力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压紧力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通过调节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压紧力式的三维声子晶体减振装置，一种能够在三维方向通过调节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：包括依次连接的上层基体、至少一个中间层基体、下层基体，还包括四个压紧板和两个带有安装块的压紧板，所述上层基体的下表面、中间层机体的上表面和下表面、下层基体的上表面分别设置有半球孔阵列，且在相应基体的上表面的半球孔阵列的半球孔中分别设置有散射单元，所述散射单元包括球形的散射体和设置在散射体外的两个空心半球形的包裹层，上层基体、中间层基体、下层基体、散射单元构成声子晶体块，所述两个带有安装块的压紧板通过压紧螺栓设置在声子晶体块的上下两个端面上，所述四个压紧板通过压紧螺栓设置在声子晶体块的四个侧面上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述中间层基体有两个或三个。

2.所述散射体的材料是铅、钨或钢。

3.所述包裹层的材料是弹性材料，具体是硫化橡胶。

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压紧螺栓的预紧力调整声子晶体隔振装置的散射单元连接刚度，进而调整声子晶体的减振频带区间。本发明能够独立调整声子晶体在三个方向上的刚度，调整减振频带区间，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：声子晶体散射单元截面图。

图2：二维结构装配示意图。

图3：隔振装置示意图。

图中：散射体1、包裹层2、散射单元3、基体4、压紧螺栓5、带有安装块的压紧版6、声子晶体块7、压紧板8。

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，包裹层，基体，压紧板，带有安装块的压紧板，压紧螺栓。包裹层贴合在散射体上形成散射单元，散射单元粘接或浇注连接在基体板材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。同一方向的两个压紧板通过压紧螺栓连接在声子晶体块上。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压紧螺栓的预紧力，进而调整声子晶体隔振装置的减振频带区间。

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周期延拓，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，基体可按照需要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，钢等材料加工成球状，硫化橡胶等较软的弹性材料加工成空心半球状包裹层2，两个空心半球状的包裹层2贴合散射体形成散射单元3。基体材料采用整体铸造或机械加工为板材，在基体板材面上加工二维周期排列半球孔，也即是半球孔阵列，且半球孔阵列中半球孔的数量根据需要而定，将散射单元3胶粘或浇注在基体4板材上，将另一块基体4板材粘接在嵌有散射单元的基体4板材上，完全贴合散射单元3形成二维的声子晶体结构，在第三维度进行延拓形成三维声子晶体结构(声子晶体块)。

声子晶体二维结构在第三维度延拓层叠时，中间层的基体板材为双面加工半球形孔结构，在声子晶体块7的两端，基体4板材厚度减半并在单面加工半球孔，中间层基体的数量根据需要而定，图2中给出了有两个中间层基体的实施例，也可以根据需要设置不同尺寸不同数量的中间层基体，例如说有三个、五个中间层基体等。

在声子晶体块7上三个方向各自加工四个均匀排布的通孔，并在空间上相互错开。在第一维度和第二维度方向上通过压紧螺栓5连接压紧板8与声子晶体块7，在第三维度上通过压紧螺栓5连接带有安装块的压紧板6和声子晶体块7。

利用力矩扳手调整三个方向的压紧螺栓5的预紧力，保证同一方向上的压紧螺栓5的预紧力相等。三个方向的压紧板对声子晶体块不同压紧力会使声子晶体压紧程度不同，散射单元包裹层发生形变，压紧方向的厚度改变，其实质上相当于改变了声子晶体散射单元的连接刚度，进而改变声子晶体减振频带区间。

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：k为包裹层的等效刚度，m₁为散射体质量，m₂为单个周期结构内基体等效质量。首先针对抑制的目标频率范围散射体选用铅，钨，钢等多种材料，加工为球体或立方体，包裹层选用橡胶、海绵等材料，基体选用钢、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，分别调整三维方向压紧螺栓的预紧力调整连接刚度，进而改变声子晶体减振频带区间。

(2)包裹层可以采用模具、硫化工艺加工成空心半球状包裹层，两个空心半球状的包裹层利用胀紧，硫化粘接等工艺，包裹层对接贴合散射体形成散射单元。

(3)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，合理选用不同材料的散射体和包裹层，也可以选用多种材料的散射体和包裹层在二维和三维嵌套周期分布。

(4)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。

(5)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.基于压紧力式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：包括依次连接的上层基体、至少一个中间层基体、下层基体，还包括四个压紧板和两个带有安装块的压紧板，所述上层基体的下表面、中间层机体的上表面和下表面、下层基体的上表面分别设置有半球孔阵列，且在相应基体的上表面的半球孔阵列的半球孔中分别设置有散射单元，所述散射单元包括球形的散射体和设置在散射体外的两个空心半球形的包裹层，上层基体、中间层基体、下层基体、散射单元构成声子晶体块，所述两个带有安装块的压紧板通过压紧螺栓设置在声子晶体块的上下两个端面上，所述四个压紧板通过压紧螺栓设置在声子晶体块的四个侧面上。

2.根据权利要求1所述的基于压紧力式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：所述中间层基体有两个或三个。

3.根据权利要求1或2所述的基于压紧力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。

4.根据权利要求1或2所述的基于压紧力式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：所述包裹层的材料是弹性材料，具体是硫化橡胶。

5.根据权利要求3所述的基于压紧力式的三维声子晶体减振装置，其特征在于：所述包裹层的材料是弹性材料，具体是硫化橡胶。