CN111284422A - 具有声学超结构的减振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有声学超结构的减振装置。具有声学超结构的减振装置安装到车身并且配置为阻挡通过车身传递的结构噪声，该减振装置可以包括多个单元结构，所述多个单元结构以预定间隔布置，其中每个单元结构包括框架和振动器，所述框架安装到车身并配置为将预定空间分隔成由框架的壁形成的预定数量的单独部分；所述振动器形成在每个单独部分的拐角部，并且每个振动器具有固有频率以阻挡从车身通过框架传递的振动。

Description

具有声学超结构的减振装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月7日提交的韩国专利申请No.10-2018-0157505的优先权，该申请的全部内容通过该引用合并于本文中用于所有目的。
技术领域
本发明涉及一种具有声学超结构的减振装置，更具体地，涉及这样一种具有声学超结构的减振装置，其用于降低由车辆的各种组件产生的振动和由振动引起的辐射噪声。
背景技术
通常，仪表板安装在车辆的发动机室和客厢之间。构成底表面的地板从仪表板的下端朝向车身的后侧安装。
具体地，通过仪表板和前围板传递的结构噪声(structure-borne noise)是一个非常重要的问题。为了克服这样的问题，需要进行各种努力，例如增加面板厚度、扩大曲面、增加加强构件或应用减振器，以减少或阻挡从发动机舱传递的噪声和从地面传递的道路噪声。
然而，为了通过上述方式减小车身的振动，存在许多限制，例如增加的制造成本和增加的车辆重量。
因此，需要一种降低从外部源或车辆的各种组件传递到车辆中的噪声的新方法。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加强对本发明的一般背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面致力于提供一种具有声学超结构的减振装置，其具有多个阻带的优点，从而在更宽的范围内阻挡振动和噪声。
根据本发明的一个或多个示例性实施方案的减振装置，其具有声学超结构，该减振装置安装到车身并且配置为阻挡通过车身传递的结构噪声，该减振装置可以包括多个以预定间隔布置的单元结构，其中每个单元结构可以包括框架和振动器，所述框架安装到车身并且配置为将预定空间分成由框架的壁形成的预定数量的单独部分；所述振动器形成在每个单独部分的拐角部，并且每个振动器具有固有频率以阻挡从车身通过框架传递的振动。
框架可以将预定空间分成预定数量的四个部分，振动器可以安装在四个部分的每一个中，并且每对彼此面对的振动器可以具有相同的固有频率。
固有频率可以配置为具有与预定频带的中心频率相同的值。
振动器可以包括连接部分和质量部分，所述连接部分配置为具有固定到每个单独部分的拐角部的一个端部和形成为自由端部的另一个端部；所述质量部分形成在连接部分的另一个端部，并且配置为根据从车身通过框架传递的振动而振动。
质量部分可以形成为具有预定厚度的圆柱形状，并且质量部分的侧表面的一部分可以与连接部分连接。
随着固有频率具有更大的值，连接部分的厚度可以变大，连接部分的长度可以变小，使得质量部分和框架之间的距离可以减小，并且质量部分的半径可以变小。
振动器可以相对于框架的垂直方向安装在框架的中间。
没有连接振动器的框架的固有频率可以设定为等于或大于连接有振动器的框架的固有频率的两倍。
框架和振动器可以由塑料材料整体形成。
单元结构的预定间隔可以设定为等于或小于与固有频率相对应的波长的一半。
根据本发明的示例性实施方案，减振装置可以具有多个固有频率范围，以有效地阻挡宽范围的振动和噪声。
此外，根据本发明的示例性实施方案，减振装置可以局部地应用于期望阻挡振动或噪声的车身的一部分，从而可以在减轻应用减振装置的车身重量的同时，有效地阻挡振动或噪声。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行更详细地陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1A和图1B为示出根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置中的波矢量和频率之间的色散关系的曲线图。
图2为应用于根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的单元结构的立体图。
图3为应用于根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的单元结构的俯视图。
图4为根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的立体图。
图5为示出在根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置中阻挡波的阻带的曲线图。
图6和图7为示出根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的效果的实验图。
应当理解，附图不一定是按照比例绘制，而是图示性地简化呈现各种特征以显示本发明的基本原理。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图中，贯穿附图的多幅图，相同的附图标记表示本发明的相同或等同的部件。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的各个实施方案，各个实施方案的示例在附图中进行说明并如下进行描述。尽管将结合本发明的示例性实施方案来描述本发明，但是应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。另一方面，本发明旨在不仅覆盖示本发明的示例性实施方案，还覆盖可以包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代的实施方案、修改的实施方案、等价的实施方案以及其它实施方案。
下文将参考所附附图对本发明的各种示例性实施方案进行更为全面的描述，在这些附图中示出了本发明的示例性实施方案。本领域技术人员将意识到，可以对所描述的实施方案进行各种不同方式的修改，所有这些修改将不脱离本发明的精神或范围。
相应地，附图和说明书应当被认为本质上是说明性的而非限制性的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相似的元件。
图1A和图1B为示出根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置中的波矢量和频率之间的色散关系的曲线图，图2为应用于根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的单元结构的立体图，图3为应用于根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的单元结构的俯视图，图4为根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的立体图，图5为示出在根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置中阻挡波的阻带的曲线图，图6和图7为示出根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置的效果的实验图。
根据本发明示例性实施方案的减振装置可以选择性地应用于车辆的各种板，例如仪表板、整流罩、前围上盖板或车身顶板，以阻挡通过这些面板传递的噪声，如结构噪声或空气噪声。
此外，根据本发明示例性实施方案的减振装置可以应用于电子产品的内部面板或支撑件，例如洗衣机、冰箱、洗碗机、微波炉、空调或热风加热器，并且可以减少从诸如电机和压缩机的转子传递的振动或噪声。
此外，根据本发明示例性实施方案的减振装置可以应用于用于支撑道路的隔音屏障或建筑物的雨水排水管的支撑件或加固件，并且可以应用于执行铣削、切割、挤压和成型的装置，以减少噪声和振动。
此外，根据本发明示例性实施方案的减振装置可以应用于转子装置(例如泵、压缩机和电力站的涡轮机)的支撑件和壳体，可以应用于计算机的硬盘的支撑件，或者可以应用于计算机主体壳体，以减少从冷却风扇传递的振动/噪声，并且可以应用于各种电子设备以减少从设备产生的噪声和振动。
在详细描述根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置之前，具有声学超结构的减振装置具有声学超材料的特性。
这里，声学超材料是指具有人工设计为不能自然发现的独特波特性结构的材料。
也就是说，具有声学超结构的材料是指在至少一定频率范围内具有负等效动态质量的介质。
在具有声学超结构的材料中，由于局部共振效应，出现了对应于特定频率的波矢量为空的某个特定频率范围。这种频率范围称为“阻带”，由于局部共振效应而出现该频率范围。
理论上，在阻带处，不存在特定频率的行波，从而可以完美地阻挡特定频率的波。
参考图1A和图1B，通过色散关系来分析通过声学超结构传输的波的特性，色散关系是波矢量和频率之间的关系。
如图1A所示，在一般平面结构的色散关系中，在整个频率范围内，存在对应于每个频率的波矢量。也就是说，可以在整个频带上传输波。
另一方面，如图1B所示，在一般平面结构的色散关系中，由于局部共振效应，出现了对应于特定频率的波矢量为空的某个特定频率范围。
如图4所示，基于声学超结构的阻带设计具有声学超结构的减振装置100。
换句话说，根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置100包括周期性布置的具有局部振动结构的单元结构，使得其可以通过阻挡特定频率的振动能量从而阻挡对应于特定频率的波，而具有阻带特性。
参照图2，应用于具有声学超结构的减振装置100的单元结构1包括框架10和振动器20。
首先，框架10直接附接到车身。
这里，框架10可以通过使用粘合材料或粘合垫附接到车身。
这种框架10可以形成为十字形。
换句话说，框架可以具有彼此连接的四个部分，并且壁可以基于中心点径向设置。
例如，壁可以在中心点处连接，并且可以以90°的角度间隔径向设置。
框架10将预定空间分隔成由框架10的壁形成的预定数量的单独部分。
例如，框架形成为将预定空间分隔成预定数量的四个部分。
此外，振动器20形成在每个部分的拐角部处。
也就是说，振动器20形成为对应于由框架10分隔的四个部分。
振动器20相对于框架10的垂直方向设置在框架10的中间。
振动器20配置为根据输入振动而在竖直方向上振动。因此，框架10优选地设计为具有相对较大的高度以接纳振动器20的振动范围。
这种振动器20包括连接部分21和质量部分23。
连接部分21的一个端部形成为与拐角部的形状相对应，以固定到拐角部。
此外，连接部分21的另一个端部形成为自由端部。此外，另一个端部形成为与将在下面描述的质量部分23的侧表面相对应。
也就是说，连接部分21的一个端部具有角形边缘，另一个端部具有凹形弯曲轮廓。
质量部分的侧表面的一部分与连接部分21的另一个端部连接，使得质量部分可以根据通过连接部分21传递的振动而振动。
质量部分23形成为具有预定厚度的圆柱形。
连接部分21和质量部分23的尺寸和设计根据固有频率而变化。
参照图3，框架可以将预定空间分隔成四个部分，并且可以在四个部分的每一个安装振动器20。四个振动器20的每一个包括连接部分21和质量部分23。
每对彼此面对的振动器20配置为具有彼此相同的固有频率。两对振动器20具有与彼此对的固有频率不同的固有频率。
也就是说，整个振动器20可以具有两种类型的阻带。
目前，固有频率可以设定为等于预定频带的中心频率。
此外，随着振动器的固有频率需要设计成更高的频率，振动器20的连接部分21的长度(l)变小，从而减小了质量部分和框架之间的距离。
此外，随着固有频率需要更高，振动器20的连接部分21的厚度(t)变大。
此外，随着固有频率需要更高，质量部分23的半径(r)变小。
这里，“振动器的固有频率”表示当基底在所有频率上受到相等激励时，振动器的振动响应最高的频率。
下面将描述用于设计上述单元结构1的方法，其中单元结构1将附接到车辆的仪表板。
通常，对车辆仪表板减振的重要性相对较高。
也就是说，单元结构1附接到仪表板，用于阻挡通过仪表板传递的振动或声音。
首先，可以在仪表板上执行结构声学测试以检测产生振动最多的位置，并检测与该位置相对应的传输声音的频率。检测到的频率设定为目标频率。
这里，在结构声学测试中，噪声从发动机附近的噪声源辐射，相应地通过激光振动计传感器检测仪表板上产生的振动。由此，当由发动机产生的初始振动传递到仪表板时，可以掌握振动方面。
接下来，根据目标频率设计单元结构1的框架10和振动器20，并且通过以下等式1的色散方程分析设计结果，用于掌握相应的阻带。
[等式1]
[KR(k)-ω2MR(k)]wR＝0
这里，KR表示取决于单位单元的位置矢量R的刚度矩阵，MR表示取决于单位单元的位置矢量R的质量矩阵，k表示波矢量，ω表示频率，wR表示取决于单位单元的位置矢量R的波矢量。
这样，将相应的阻带与目标频带进行比较。当相应的阻带与目标频带不同时，必须修改详细的设计值。另一方面，当相应的阻带与目标频带基本相同时，完成设计过程。
参考图4，减振装置100包括多个上述单元结构。
减振装置100是以预定图案布置的多个单元结构1的组件。换句话说，多个单元结构1以预定间隔规则地布置。单元结构1之间的间隔表示单元结构1的框架的中心部分与相邻的单元结构的框架的中心部分之间的距离。
目前，单元结构1之间的预定间隔设定为等于或小于与要阻挡的噪声的固有频率相对应的波长的一半。
此外，随着减振装置100中包括的单元结构1的数量变大，阻挡的噪声的带宽和声量可以变大。
图5为示出设计为对应于目标频率的单元结构1的阻带的测量的实验图。通过结构声学测试确定目标频带，其中，检测仪表板产生振动最多的位置，并检测位置的问题频率。当检测出问题频率大约为900Hz和1250Hz时，目标频率设定为900Hz和1250Hz。
在实验中，将包括通过上述过程形成的单元结构1的减振装置100附接到仪表板，并且测量仪表板的阻带。在测量结果中，阻带出现在800-1150Hz和1150-1300Hz的两个频带上，其对应于上述目标频率。
也就是说，可以确认减振装置具有两个固有频带。
图6为示出通过比较样品1的情况和样品2的情况测量的振动传递函数的实验图，在样品1的情况中吸音材料附接到仪表板，在样品2的情况中减振装置100设置在仪表板和吸音材料之间。
这里，在样品2的情况中，吸音材料的厚度从样品1的情况中吸音材料的厚度为1.5t减小到1.0t，从而可以减小整体重量。
参照图6，在包括两个目标频率的两个阻带中，即800～1150Hz的频带和1150～1500Hz的频带，与样本1的情况相比，在样本2的情况中，振动减少了5～6dB。
也就是说，通过应用减振装置100，可以同时减小车身的振动和整体重量。
图7为示出通过测量消声室中的扬声器的激励和麦克风的响应而获得的作为一种声学传递函数的插入损耗的实验结果的曲线图。
参照图7，在整个频率范围内，与样品1的情况相比，在样品2的情况中减振效果得到改善。更具体地，在包括两个目标频率的两个阻带中，即800～1150Hz的频带和1150～1500Hz的频带，与样本1的情况相比，在样本2的情况中，振动减少了3～4dB。
如上所述，具有声学超结构的减振装置100设计成使结构噪声中断，并且具有减少仪表板振动同时减少仪表板辐射的噪声的优点。
因此，根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置可以设计为具有两个固有频率，从而可以有效地阻挡振动和噪声。
此外，通过应用根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置，可以去除吸音材料或隔音材料或者可以减小它们的厚度，从而可以减少部件的数量和重量。
此外，根据本发明示例性实施方案的具有声学超结构的减振装置可以局部地应用于期望阻挡振动或噪声的车身的一部分，从而可以在减轻应用减振装置的车身重量的同时，有效地阻挡振动或噪声。
虽然已经结合目前被认为是本发明实际的示例性实施方案描述了本发明，但是应理解本发明并不限于所公开的本发明的示例性实施方案，相反，本发明旨在覆盖各种修改和等价的权利要求及其各种替代形式和修改形式。本发明的范围由所附权利要求及其等价形式所限定。
[1]Claeys,C.C.、Vergote,K.、Sas,P.以及Desmet,W.(2013)，关于调谐谐振器在周期板中获得低频振动阻带的潜能(On the potential of tuned resonators to obtainlow-frequency vibrational stop bands in periodic panels)，声音与振动学报(Journal of Sound and Vibration)，332(6)，1418-1436。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“上面”、“下面”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背”、“内部”、“外部”、“向内”、“向外”、“内部的”、“外部的”、“内侧”、“外侧”、“向前”和“向后”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方案的特征。将进一步理解，术语“连接”或其衍生词指的是直接和间接连接。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和描述的目的。它们并不旨在详尽或将本发明限制在所公开的精确的实施方案中，并且显然，根据上述教示可以进行各种修改和变化。选择和描述的示例性实施方案是为了解释本发明的某些原理和其实际应用，以使其他本领域技术人员制造和使用本发明的各个示例性实施方案，及其各种替代方案和修改方案。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等价形式所限定。

Claims (15)

1.一种减振装置，其具有声学超结构，所述减振装置配置为安装到车身并且阻挡通过车身传递的结构噪声，所述减振装置包括：
至少一个单元结构，
其中，所述至少一个单元结构的每一个包括：
框架，其配置为安装到车身并将预定空间分隔为由框架的壁形成的预定数量的单独部分；
振动器，其形成在每个单独部分的拐角部并且具有固有频率以阻挡从车身通过框架传递的振动。
2.根据权利要求1所述的减振装置，其中，
所述框架形成为将预定空间分隔成由框架的四个壁形成的预定数量的四个部分，
所述振动器安装在四个部分的每一个中，
每一对彼此面对的振动器分别具有相同的固有频率。
3.根据权利要求2所述的减振装置，其中，所述四个壁在框架的中心点处连接并且以十字形状的90°的角度间隔从中心点径向地设置。
4.根据权利要求2所述的减振装置，其中，每个振动器包括：
连接部分，其包括第一端部和第二端部，所述第一端部固定到四个壁的相邻壁的拐角部，所述第二端部形成为自由端部；
质量部分，其形成在所述连接部分的第二端部处，并且配置为根据从车身通过框架传递的振动而振动。
5.根据权利要求4所述的减振装置，其中，
所述质量部分形成为具有预定厚度的圆柱形状，
所述质量部分的侧表面的一部分连接到所述连接部分。
6.根据权利要求4所述的减振装置，其中，随着固有频率变高，
所述连接部分形成为具有更大的厚度，
所述连接部分形成为具有更小的长度，使得质量部分和框架之间的距离减小，
所述质量部分形成为具有更小的半径。
7.根据权利要求2所述的减振装置，其中，所述固有频率配置为与预定频带的中心频率具有相同的值。
8.根据权利要求2所述的减振装置，其中，每个振动器包括：
连接部分，其具有第一端部和第二端部，所述第一端部固定到壁的相邻壁的拐角部，所述第二端部形成为自由端；
质量部分，其形成在所述连接部分的第二端部处，并且配置为根据从车身通过框架传递的振动而振动。
9.根据权利要求8所述的减振装置，其中，
所述质量部分形成为具有预定厚度的圆柱形状，
所述质量部分的侧表面的一部分连接到所述连接部分。
10.根据权利要求8所述的减振装置，其中，随着固有频率变高，
所述连接部分形成为具有更大的厚度，
所述连接部分形成为具有更小的长度，使得质量部分和框架之间的距离减小，
所述质量部分形成为具有更小的半径。
11.根据权利要求1所述的减振装置，其中，所述振动器相对于框架的垂直方向设置在框架的中间。
12.根据权利要求1所述的减振装置，其中，没有振动器的框架的固有频率设定为等于或大于连接有振动器的框架的固有频率的两倍。
13.根据权利要求1所述的减振装置，其中，所述框架和所述振动器由塑料材料整体地形成。
14.根据权利要求1所述的减振装置，其中，所述至少一个单元结构包括以预定间隔布置的至少两个单元结构。
15.根据权利要求14所述的减振装置，其中，所述至少两个单元结构的预定间隔设定为等于或小于与固有频率对应的波长的一半。
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