CN111271401B - 一种非线性弹性波超材料隔振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非线性弹性波超材料隔振装置。该装置包括：导轨、振动传导轴、螺杆、刚性球状颗粒和不锈钢压簧。导轨为带沟槽的金属结构，放置在平台上，导轨的沟槽的两端与振动传导轴粘合固定连接，在导轨的沟槽中在竖直平面上交错叠加单排或多排刚性球状颗粒，组成多层刚性球状颗粒的周期结构。螺杆穿过振动传导轴中的孔洞，通过螺母、垫片与不锈钢压簧接触，螺杆还与最下一排刚性球状颗粒接触。本发明的装置采用由上层颗粒引起的水平压力分量，产生了周期结构内部的轴向载荷，达到灵活调节特定频率隔振降噪的效果，具有便于调节振动与波动禁带的优点，可以用于需要抑制特定频率弹性波与振动的情况，可实现高频段振动抑制的非线性隔振降噪。
Description
技术领域
本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及一种具有外部载荷调节功能的非线性弹性波超材料隔振装置。
背景技术
从20世纪90年代开始，基于对弹性波在结构/材料中的行为进行调控的需求，弹性波与振动在周期结构传播特性的研究引起了广泛的关注，弹性波超材料具有弹性波和振动的禁止传播频率带隙，因此可应用于机械工程、土木工程、航空航天等隔振降噪领域中。
人工周期结构弹性波超材料存在带隙特性，带隙频率范围内的弹性波传播被有效抑制。利用周期结构的带隙特性和通带特性实现减振效果，相对于传统减振系统，周期结构能够在满足结构力学性能的条件下，实现减震性能，对于机械结构减振设计具有重要意义。
高频振动可对电子高精度仪器等产生较大扰动，影响数据采集质量与仪器寿命。以往的隔振装置多为吸收振动的柔性连接，不能满足较高支撑强度下的隔振问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种非线性弹性波超材料隔振装置，以克服现有技术的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种非线性弹性波超材料隔振装置，包括：导轨、振动传导轴和刚性球状颗粒；
所述导轨为带沟槽的金属结构，放置在平台上，所述导轨的沟槽的两端与振动传导轴粘合固定连接，在所述导轨的沟槽中在竖直平面上交错叠加单排或多排刚性球状颗粒，组成多层刚性球状颗粒的周期结构。
优选地，所述装置还包括：螺杆和不锈钢压簧；
每个振动传导轴都设置有孔洞，所述孔洞的直径与螺杆直径一致，所述孔洞的中心与最下一排刚性球状颗粒的中心同轴，所述螺杆穿过所述孔洞通过螺母、垫片与所述不锈钢压簧接触，所述螺杆还与最下一排刚性球状颗粒接触，所述不锈钢压簧的末端与靠近内侧的振动传导轴接触。
优选地，在所述导轨的沟槽中以每排递减一个的次序以等边三角形金字塔式垂直叠放刚性球状颗粒，除底层一排刚性球状颗粒外，每个刚性球状颗粒在重力作用下位于其下一排两个刚性球状颗粒中间的上方。
优选地，所述导轨为铝合金材质的槽铝标准件，所述导轨的内径与所述刚性球状颗粒的直径一致。
优选地，所述振动传导轴为螺杆。
优选地，所述螺杆为双头M5螺杆。
优选地，所述刚性球状颗粒为轴承钢珠。
优选地，所述不锈钢压簧为304不锈钢压簧。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的装置采用由上层颗粒引起的水平压力分量，产生了周期结构内部的轴向载荷，达到灵活调节特定频率隔振降噪的效果，较旧型颗粒状非线性隔振降噪装置具有便于调节振动与波动禁带的优点，可以用于需要抑制特定频率弹性波与振动的情况，可实现高频段振动抑制的非线性隔振降噪。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种具有外部载荷调节功能的非线性弹性波超材料隔振装置的结构图。
图2为本发明实施例提供的装置的实际构型空间表示图。
图3为本发明实施例提供的装置的实物照片图。
图4为本发明实施例提供的一种不锈钢压簧及垫片螺母连接处的装配细节图。
附图说明：
1 导轨
2 振动传导轴
3 螺杆
4 刚性球状颗粒
5 不锈钢压簧。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
通过人工周期结构在几何与材料参数上的变化，可以对周期结构弹性波带隙的位置与宽度等特性进行人为调控。本发明实施例提出了一种具有外部载荷调节功能的非线性弹性波超材料隔振装置，由于非线性弹性波超材料的颗粒间的接触力为非线性形式，针对发生振动的结构连接处，该装置解决了某些特定频率的抑制问题。本发明提供了一种刚性连接隔振的方式，能够满足较高支撑强度下的隔振问题。
本发明实施例的非线性弹性波超材料隔振装置所采用的方案是：在需要特定频率隔振的部位，通过螺栓与振动传导轴螺接。当上层结构发生振动时，弹性波通过周期排列的刚性球状颗粒系统，在带隙机理的影响下达到针对特定频率的弹性波的隔振降噪效果，通过由上层颗粒引起的水平压力分量，产生了周期结构内部的轴向载荷，从而可调节能够抑制振动传播的频率带隙。本装置中虽含有弹簧，但弹簧仅作为连接导轨与主体周期结构的装置。其传导主体为刚性连接，没有采用使用弹簧进行柔性连接。
本发明实施例提供的一种具有外部载荷调节功能的非线性弹性波超材料隔振装置的结构如图1所示，包括：导轨1、振动传导轴2、螺杆3、刚性球状颗粒4和不锈钢压簧5。图2为上述装置的实际构型空间表示图，图3为上述装置的实物照片图。所述导轨为带沟槽的金属结构，放置在平台上，所述导轨的沟槽的两端与振动传导轴粘合固定连接，在所述导轨的沟槽中在竖直平面上交错叠加单排或多排刚性球状颗粒，组成多层刚性球状颗粒的周期结构。所述螺杆穿过振动传导轴中的孔洞，通过螺母、垫片与所述不锈钢压簧接触，螺杆还与最下一排刚性球状颗粒接触。
导轨1为薄壁深槽铝合金，槽内壁光滑，可以减少球状颗粒振动过程的摩擦阻力，减少球状颗粒对弹性波带隙特性的影响。导轨1由托架支撑，放置在稳定平台上。导轨1的两端用振动传导轴2封口。导轨1中以每排递减一个的次序以等边三角形金字塔式垂直叠放刚性球状颗粒4，除底层一排外，刚性球状颗粒应当在重力作用下位于其下一排两个刚性球状颗粒中间的上方。即在竖直平面上交错叠加单排或多排刚性球状颗粒，组成多层颗粒周期结构。
图4为本发明实施例提供的一种不锈钢压簧及垫片螺母连接处的装配细节图。将振动传导轴2与导轨1粘合固定，每个振动传导轴2都设置有一孔洞，该孔洞的直径与螺杆3直径一致，孔洞的中心与最下一排刚性球状颗粒4的中心同轴。螺杆3穿过孔洞并与刚性球状颗粒4共轴正对接触。位于该周期结构传导末端的螺杆3以螺母、垫片和不锈钢压簧5接触。不锈钢压簧5的末端与靠近内侧的振动传导轴2接触，振动输入端的螺杆3提供一定的向内压应力，使不锈钢压簧5存在一定压缩量，进而使得刚性球状颗粒4、螺杆3和不锈钢压簧5之间存在一定的压应力，使得刚性球状颗粒4之间无空隙，又不使得刚性球状颗粒4产生过度挤压、出现偏心。
所述振动传导轴可以为螺杆，该螺杆为双头M5螺杆。
所述刚性球状颗粒为轴承钢珠，该构型中采用GCr15轴承滚珠。
所述不锈钢压簧为不锈钢压簧，安装时应当有一定的压缩量以保证刚性颗粒间无空隙。本构型中采用304不锈钢压簧，使用垫片与螺母采用浮动连接方式连接弹簧与螺杆。
上述本发明实施例的具有外部载荷调节功能的非线性弹性波超材料隔振装置的工作原理包括：
基于刚性球状颗粒的周期结构带隙特性的理论，由于基础层刚性球状颗粒构型为周期形式的弹性波超材料构型，故对特定频率的弹性波具有抑制传播特性的频率带隙。当弹性波在刚性球状颗粒的周期结构中传播时，受内部构件的相互作用，某些频率范围内的弹性波不能传播，相应的频率范围称为带隙；而其他频率范围内的弹性波可以传播，相应的频率范围称为通带。
本装置采用周期结构的带隙特性，使得某些频率范围内的弹性波与振动传播性能降低，从而达到隔振降噪的目的。而上部不同层数的刚性球状颗粒，在重力场作用下对主体部分(与振源同轴的颗粒列)产生不同的水平侧压力分量，利用了与激振力不同方向的竖向侧压力对超材料的弹性波与振动的带隙性能进行了调整，便于调节实际应用中对不同带隙频率的需求，同时也为进一步发展侧向压力调节的周期结构或声子晶体型弹性波超材料提供了新思路。
据实验室结果，本实验室构型装置对13800Hz、15300Hz、16800Hz、17300Hz附近等多个频率范围处有振动抑制效应。
所述刚性球状颗粒根据所要抑制的频段范围，由带隙机理的理论公式进行计算选择尺寸及材料。
本发明实施例主要是基于Bragg散射机理，这种带隙通常被称为Bragg带隙，其出现的频率位置主要受Bragg条件控制,即：
式中，a代表了刚性球状颗粒的周期结构的晶格尺寸；λ代表刚性球状颗粒的周期结构中的弹性波波长。
综上所述，本发明实施例的装置相比以往周期隔振装置，本发明采用由上层颗粒引起的水平压力分量，产生了周期结构内部的轴向载荷，达到灵活调节特定频率隔振降噪的效果，较旧型颗粒状非线性隔振降噪装置具有便于调节振动与波动禁带的优点。该装置可以用于需要抑制特定频率弹性波与振动的情况，为此工况提供了一种易调节、纯机械操控、无电磁干扰、可针对振动频率选择、可实现高频段振动抑制的非线性隔振降噪装置。
本发明的装置的构型为单一方向放置，但使用经设计的导轨亦可实现全方向放置，并且上部可增加不同配重，易于结构设计。
本发明的装置整体由机械结构构成，相比电子隔振装置有效避免了电磁信号干扰问题。该装置的结构简单、主要采用标准件，易于采购装配，成本明显低于电控装置。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种非线性弹性波超材料隔振装置，其特征在于，包括：导轨、振动传导轴和刚性球状颗粒；
所述导轨为带沟槽的金属结构，放置在平台上，所述导轨的沟槽的两端与振动传导轴粘合固定连接，在所述导轨的沟槽中在竖直平面上交错叠加多排刚性球状颗粒，组成多层刚性球状颗粒的周期结构，所述导轨的内径与所述刚性球状颗粒的直径一致；
将与振源同轴的颗粒列作为主体部分，上部不同层数的刚性球状颗粒在重力场作用下对主体部分产生不同的水平侧压力分量，利用与激振力不同方向的竖向侧压力对超材料的弹性波与振动的带隙性能进行调整。
2.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括：螺杆和不锈钢压簧；
每个振动传导轴都设置有孔洞，所述孔洞的直径与螺杆直径一致，所述孔洞的中心与最下一排刚性球状颗粒的中心同轴，所述螺杆穿过所述孔洞通过螺母、垫片与所述不锈钢压簧接触，所述螺杆还与最下一排刚性球状颗粒接触，所述不锈钢压簧的末端与靠近内侧的振动传导轴接触。
3.根据权利要求2所述的装置，在所述导轨的沟槽中以每排递减一个的次序以等边三角形金字塔式垂直叠放刚性球状颗粒，除底层一排刚性球状颗粒外，每个刚性球状颗粒在重力作用下位于其下一排两个刚性球状颗粒中间的上方。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导轨为铝合金材质的槽铝标准件。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振动传导轴为螺杆。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述螺杆为双头M5螺杆。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刚性球状颗粒为轴承钢珠。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述不锈钢压簧为304不锈钢压簧。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20201201 |
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