CN111091804A - 一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体 - Google Patents

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程营
冯奇
万庆冕
邵晨
邵雪飞
麻乘榕
陶建成
刘晓峻
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SAIC Motor Corp Ltd
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Nanjing University
SAIC Motor Corp Ltd
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Abstract

本发明公开了一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体。该声子晶体单元包括基板和复合圆柱共振体，复合圆柱共振体包括头部圆台体和颈部圆柱体，复合圆柱共振体的横截面为T型；头部圆台体的截面呈倒梯形；颈部圆柱体与基板垂直连接；声子晶体单元周期排列在薄板的一侧，基板固定在薄板上。本发明设计的声子晶体结构尺寸较小(单元不大于1cm)，能够产生起始频率低于100Hz的低频带隙，适用于汽车顶棚上的低频隔振需求。

Description

一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体
技术领域
本发明涉及隔振降噪领域，具体涉及一种用于汽车低频振动控制的隔振器。
背景技术
随着汽车制造工业的进步与发展，人们对乘坐舒适度的期望也越来越高。汽车的振动特性逐渐受到汽车厂商的重视，已经成为衡量汽车设计和制造质量的重要指标。
声子晶体是具有弹性波带隙的人工周期性复合结构。当弹性波的频率处于带隙范围内时，将被声子晶体材料阻隔，从而起到隔振的效果。局域共振型声子晶体实现了亚波长的结构设计，即可以在较小周期尺寸的条件下得到低频带隙。
为了促进声子晶体板在减振、降噪等工程领域的应用，其低频段带隙特性的调控非常重要，近年来已有不少针对拓宽声子晶体板低频带隙范围的研究。2012年，Assouar等(ASSOUAR M B,OUDICH M.Enlargement of a locally resonant sonic band gap byusing double-sides stubbed phononic plates[J].Appl.Phys.Lett.,2012,100(12):123506)对基于双侧结构的二维局域共振声子晶体进行了理论分析，其相对带宽为典型单侧结构声子晶体的两倍。2016年，Li等(LI S,CHEN T,WANG X,et al.Expansion of lower-frequency locally resonant band gaps using a double-sided stubbed compositephononic crystals plate with composite stubs[J].Phys.Lett.A,2016,380(25–26):2167-2172.)研究了钢与橡胶的双侧复合结构声子晶体的带隙，结果表明与典型的双侧声子晶体相比其带隙频率更低，第一完全带隙的范围为300Hz到500Hz。虽然这些研究均对声子晶体的基板结构进行了一定程度的改变，但对于应用在汽车车身板件结构(如汽车顶棚)上来说并不现实，而且对于板结构在100Hz左右的振动控制问题，仍然没有找到有效的解决途径。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明的目的是为了提供一种在较小的周期尺寸条件下可以得到较低频率带隙的局域共振声子晶体。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，该声子晶体单元包括基板和复合圆柱共振体，所述复合圆柱共振体包括头部圆台体和颈部圆柱体，复合圆柱共振体的横截面为T型；所述头部圆台体的截面呈倒梯形；所述颈部圆柱体与基板垂直连接；所述声子晶体单元周期排列在薄板的一侧，所述基板固定在薄板上。
进一步地，所述声子晶体单元排列的周期为10mm；所述基板为正方形，边长为10mm，厚度为1mm；所述头部圆台体的高度为2-8mm，顶面直径为8-10mm，底面直径为4-7mm；所述颈部圆柱体的高度为2-8mm，直径为4-10mm。
进一步地，所述声子晶体单元周期排列的晶格为正方形。
进一步地，所述头部圆台体采用金属材料，所述颈部圆柱体和基板采用橡胶材料。
进一步地，所述橡胶材料的弹性模量数量级在1e5。
进一步地，所述头部圆台体和颈部圆柱体之间采用粘合剂连接。
进一步地，所述颈部圆柱体与基板之间采用粘合剂连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明设计的声子晶体结构尺寸较小(单元不大于1cm)，能够产生起始频率低于100Hz的低频带隙，适用于汽车顶棚上的低频隔振需求。
(2)本发明的声子晶体为单侧结构，便于在汽车顶棚上的安装。而且制作工艺简单，可实用性强。
附图说明
图1为本发明声子晶体单元的结构示意图；
图2为本发明实施例中的声子晶体的(a)能带结构理论计算图，(b)位移传输谱图；
图3为本发明实施例中的声子晶体结构参数与带隙频率范围的关系，(a)金属材料对带隙的影响，(b)橡胶弹性模量对带隙的影响；
图4为本发明声子晶体样品安装于汽车顶棚上的示意图；
图5为汽车顶棚的振速分布图，(a)汽车顶棚上未加声子晶体，(b)汽车顶棚上安装单层声子晶体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供了一种在较小周期尺寸条件下得到较低频率带隙的二维声子晶体。它由多个声子晶体单元在薄板的单侧按周期性阵列排列组成。考虑到汽车板件结构的连接问题，声子晶体的单元由基板1和垂直基板1布放的复合圆柱共振体构成，其中，复合圆柱包括头部圆台体2和颈部圆柱体3，其横截面为T型，颈部圆柱体3和基板1连接。在等效弹簧-质量系统中，系统等效弹性系数主要由颈部圆柱体3和基板1决定，等效质量主要由头部圆台体2决定。
复合圆柱共振体的结构和材料是影响带隙的主要因素。当头部圆台体2的材料密度增加时，带隙向低频移动，此时系统的等效质量增加，等效弹性系数不变，因此带隙移向低频。当颈部圆柱体3的杨氏模量增加时，系统的等效弹性系数增加，带隙移向高频。带隙起始频率与截止频率均与橡胶杨氏模量的平方根成正比。
基于上述性能要求和现实性考虑，头部圆台体2选择密度较大的金属材料。基板1和颈部圆柱体3选择弹性模量数量级在1e5的橡胶。在其他参数一定的条件下，晶格常数越大，带隙频率越低。但在实际使用中，根据汽车顶棚内部空间要求，设置声子晶体单元的整体尺寸为1cm，得到带隙起始频率低于100Hz的声子晶体。
本实施例中，头部圆台体2的金属材料采用不锈钢，基板1和颈部圆柱体3的橡胶采用tpe橡胶，材料的具体参数如表1。基板1和颈部圆柱体3之间使用粘合剂连接，头部圆台体2和颈部圆柱体3之间也使用粘合剂连接。
表1材料参数
Figure BDA0001798389720000031
声子晶体单元4的结构参数为：基板1为边长为10mm、厚度为1mm的正方形薄板；头部圆台2的高度H为5mm，顶面直径为9mm，底面直径为7mm；颈部圆柱体3的高度h为4mm，直径d为5mm。将上述声子晶体单元周期排列在薄板的一侧，使用粘结剂连接，周期设为10mm，排列晶格为正方形，即得到带隙起始频率低于100Hz的声子晶体。计算得该结构的能带结构和传输谱，如图2。如果改变结构的参数将改变带隙频率范围，如图3。如图3(a)所示，当头部材料密度增加时，带隙向低频移动。当橡胶杨氏模量增加时，如图3(b)，带隙移向高频。将单侧具有复合圆柱共振结构阵列的薄板(如图4所示)，通过粘结剂连接在汽车顶棚4上。实验中，在顶棚4上放置单层声子晶体可使振速降低20％—35％，放置3层声子晶体可降低60％以上，其中，单层声子晶体结构的振速分布如图5所示。从图中可以看出，顶棚整体振动情况得到抑制，平均振速级降低2-3dB。

Claims (7)

1.一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，其特征在于，声子晶体单元包括基板和复合圆柱共振体，所述复合圆柱共振体包括头部圆台体和颈部圆柱体，复合圆柱共振体的横截面为T型；所述头部圆台体的截面呈倒梯形；所述颈部圆柱体与基板垂直连接；所述声子晶体单元周期排列在薄板的一侧，所述基板固定在薄板上。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，其特征在于，所述声子晶体单元排列的周期为10mm；所述基板为正方形，边长为10mm，厚度为1mm；所述头部圆台体的高度为2-8mm，顶面直径为8-10mm，底面直径为4-7mm；所述颈部圆柱体的高度为2-8mm，直径为4-10mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，其特征在于，所述声子晶体单元周期排列的晶格为正方形。
4.根据权利要求1所述的一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，其特征在于，所述头部圆台体采用金属材料，所述颈部圆柱体和基板采用橡胶材料。
5.根据权利要求4所述的一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，其特征在于，所述橡胶材料的弹性模量数量级在1e5。
6.根据权利要求1所述的一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，其特征在于，所述头部圆台体和颈部圆柱体之间采用粘合剂连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于汽车低频振动控制的局域共振声子晶体，其特征在于，所述颈部圆柱体与基板之间采用粘合剂连接。
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