CN111609076A - 一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，包括基座、带有卡齿的定位滑动支座、带有滑动杆的挡板、传振杆和刚性球状颗粒；基座上表面设有呈正六边形排布的卡槽，定位滑动支座通过卡齿和卡槽与基座固定连接；定位滑动支座的两端设有贯通孔，通过贯通孔与挡板上的滑动杆活动连接；定位滑动支座与挡板相对的一侧分别相对应的设有凸起，凸起之间安装有第一不锈钢压簧；在挡板与基座上表面组成的正六边形空间内填充有刚性球状颗粒，刚性球状颗粒在垂直方向上叠加排列形成两层以上的刚性球状颗粒层，组成刚性球状颗粒的二维周期结构；传振杆的一端依次穿过定位滑动支座、挡板并与底层刚性球状颗粒最外侧一列的中心颗粒同心正接触。

Description

一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置

技术领域

本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及具有外部载荷调节功能的用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置。

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。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，该装置实现了二维条件下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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，包括基座、带有卡齿的定位滑动支座、带有滑动杆的挡板、传振杆和刚性球状颗粒；所述基座上表面设有呈正六边形排布的卡槽，所述定位滑动支座通过所述卡齿和卡槽与所述基座固定连接；所述定位滑动支座的两端设有贯通孔，通过所述贯通孔与所述挡板上的滑动杆活动连接；所述定位滑动支座与所述挡板相对的一侧分别相对应的设有凸起，所述凸起之间安装有第一不锈钢压簧；在挡板与基座上表面组成的正六边形空间内填充有所述刚性球状颗粒，所述刚性球状颗粒在垂直方向上叠加排列形成两层以上的刚性球状颗粒层，组成刚性球状颗粒的二维周期结构；所述定位滑动支座与所述挡板上相对应的设有传振杆孔，所述传振杆的一端依次穿过定位滑动支座上的传振杆孔、第二不锈钢压簧、垫片、螺母、挡板上的传振杆孔，且与底层刚性球状颗粒最外侧一列的中心颗粒同心正接触。

进一步的，所述基座是由塑料制成的圆柱体形状，基座上表面为聚四氟乙烯材料，水平放置于稳定的平台上。

进一步的，所述贯通孔平行于基座上表面、垂直于卡槽方向。

进一步的，所述第二不锈钢压簧的一端与所述垫片接触，另一端与所述定位滑动支座接触。

进一步的，通过调节所述螺母使第二不锈钢压簧轻微收缩，以使传振杆保持与边心刚性球状颗粒接触。

进一步的，每层刚性球状颗粒层中每三个颗粒产生的凹陷处叠放刚性球状颗粒，形成两层以上的紧密排列的刚性球状颗粒结构。

进一步的，所述基座上还设有用于紧固所述定位滑动支座的插销，所述插销穿过卡齿和卡槽。

进一步的，所述基座上预留有位于定位滑动支座之间的方形孔，所述方形孔内设有传振杆支座。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本装置属于结构紧密的刚性结构。因不采用弹簧等柔性结构连接，相较一般的柔性隔振降噪装置具有结构更加稳定、高荷载情况下屈服量较小。

2.本发明的装置采用由上层颗粒引起的水平压力分量，产生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。因上层颗粒偏移隔振降噪装置振动轴心，能够在不分解装置或更换零件的前提下对隔振降噪的特定频率进行变更。较已知的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。

3.本发明实施例为二维构型，相较于一维的隔振降噪装置具有可以二维抑制振动的特点，可以用于存在一定角度的隔振降噪情况或需要控制振动指向性传播的情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置的三维立体结构示意图。

图2为本发明实施例提供的装置的实际构型的爆炸结构示意图。

图3为本发明实施例提供的定位滑动支座与挡板连接处的装配细节示意图。

附图标记：1-基座，2-定位滑动支座，3-挡板，4-传振杆，5-刚性球状颗粒，6-轻质不锈钢压簧，7-重质不锈钢压簧，8-插销，9-传振杆支座

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。

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用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料，由于非线性弹性波超材料是人工周期性结构，此种人工周期结构可有效针对发生振动的结构的连接处，解决某些特定频率振动的抑制问题。

本发明实施例的用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料所采用的方案是：将需要特定频率隔振的装置，通过螺栓与本发明实施例中的传振轴螺接。当本装置所固定的结构发生振动时，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。本装置中虽含有弹簧，但弹簧仅作为保持刚性颗粒紧密的装置。其传导主体为刚性连接，并非采用弹簧进行柔性连接。

本发明实施例提供的一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料的结构如图1和图2所示，包括：带有卡槽的基座1、带有卡齿的定位滑动支座2、带有滑动杆的挡板3、传振杆4、刚性球状颗粒5、轻质不锈钢压簧6、重质不锈钢压簧7、插销8和传振杆支座9。基座1为塑料材质制成的圆柱体基座，本实施例中为PVC材料，基座1的上表面为自润滑材料，本实施例中自润滑材料为聚四氟乙烯；基座1放置在水平稳定平台上。基座1的上表面有正六边形排布的卡槽，通过卡槽与定位滑动支座2(本例中为PVC制)上的卡齿相连接，插销8(本例中为PVC制)穿过定位滑动支座与基座上的定位孔洞将两者牢固相连。定位滑动支座2的两端有平行于基座上表面、垂直于卡槽方向的贯通孔，通过贯通孔与自润滑材料制成的(本例中为聚四氟乙烯制)挡板3上的滑动杆相连接，同时在挡板3与定位滑动支座2间有两个重质不锈钢压簧7，在基座1、挡板3所形成的正六边形棱柱空间内，在平行于基座上表面的平面上紧密排列刚性球状颗粒5，本例中刚性球状颗粒5为Gcr15轴承钢制，并在垂直于平面结构的方向上叠加排列刚性球状颗粒层，组成多层立体刚性球状颗粒的周期结构。每个定位滑动支座与挡板都设置有孔洞，孔洞的直径与传振杆4直径一致，孔洞的中心与最下一层刚性球状颗粒层最外侧一排正中心的颗粒的中心同心，本实施例中传振杆4为M5双头螺杆；传振杆4穿过孔洞通过螺母、垫片轻微压缩轻质不锈钢压簧6，本实施例中轻质不锈钢压簧6和重质不锈钢压簧7均为304不锈钢制，传振杆4还与最下面刚性球状颗粒最外侧一列的中心颗粒正接触，轻质不锈钢压簧6的另一末端与定位滑动支座接触。传振杆支座9(本实例中为PVC制)紧密插入基座1上均匀分布于边缘的预留方形孔中。此传振杆支座在本实施例中未实际使用，是针对进一步改进预留的接口。

本实施例中基座1为上表面为聚四氟乙烯的PVC制圆柱体基座，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。基座1放置在水平稳定平台上。基座1的上表面有正六边形排布的卡槽，通过卡槽与本例中PVC制定位滑动支座2上的卡齿相连接，在滑动挡板与滑动支座对应位置有两组相对的凸起，用于固定本例中304不锈钢制的重质不锈钢压簧7，在基座1、定位滑动挡板2所形成的正六边形棱柱体空间内，在平行于基座1上表面的平面上紧密排列本例中Gcr15轴承钢制的刚性球状颗粒5，并在垂直于平面结构的方向上叠加排列刚性球状颗粒层，组成多层立体刚性球状颗粒的周期结构，在上层的刚性球状颗粒和挡板的共同作用下，使得颗粒间具有一定的初始正应力的同时保证了颗粒间的正接触，避免了翘曲现象。

图3为本发明实施例提供的一种定位滑动支座与挡板连接处的装配细节图。定位滑动支座2与基座1通过卡齿结构固定，挡板3通过滑动轴结构与定位滑动支座2连接，使挡板3能够沿轴方向滑动。定位滑动支座2与挡板3中心设置有一孔洞，该孔洞的直径与球状颗粒直径一致，孔洞的中心与最下一层刚性球状颗粒5最外侧一列正中颗粒(下简称边心颗粒)的中心正对。传振杆4依次穿过定位滑动支座2上的孔洞、轻质不锈钢压簧6、垫片、螺母、挡板3上的孔洞并与边心颗粒正对接触，并通过螺母、垫片与轻质不锈钢压簧6接触。轻质不锈钢压簧6的另一末端与定位滑动支座2接触。调节螺母使轻质不锈钢压簧6轻微收缩，以使传振杆4保持与边心颗粒接触。选择刚度合适的重质不锈钢压簧7，通过两组对应位置的凸起固定在定位滑动支座2与挡板3之间，并使重质不锈钢压簧7存在一定的收缩量，使得挡板3对刚性球状颗粒5存在合适的压力，使得刚性球状颗粒5紧密排列，同时不发生翘曲现象。

上述本发明实施例的用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料的工作原理包括：

基于关于人工周期结构带隙特性的理论(见《人工周期结构中弹性波的传播——振动与声学特性》与《声子晶体》等专著)，由于最下层刚性球状颗粒构型为人工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。当弹性波在人工周期结构中传播时，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。

本装置利用人工周期结构的带隙特性，能够将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。因本装置是一颗粒状平面型装置，可同时抑制平面上多个方向的相应频率振动传导。为进一步发展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4800Hz、5300Hz、6800Hz、7300Hz附近等多个频率范围处有振动抑制效应。

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代表了人工周期结构的晶格尺寸；λ代表人工周期结构中的弹性波波长。

综上，本发明实施例的装置相比以往周期隔振装置，本发明突出特点为其采用了颗粒状平面型构型，可同时抑制平面上多个方向的相应频率振动传导。该装置可以用于需要抑制多个同平面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、可实现中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水平放置，但使用经特殊设计的基座并添加盖板亦可实现全法线方向放置，易于其他结构设计。

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、部分结构为国家标准件，易于采购装配，成本明显低于电控装置。

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。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，包括基座、带有卡齿的定位滑动支座、带有滑动杆的挡板、传振杆和刚性球状颗粒；所述基座上表面设有呈正六边形排布的卡槽，所述定位滑动支座通过所述卡齿和卡槽与所述基座固定连接；所述定位滑动支座的两端设有贯通孔，通过所述贯通孔与所述挡板上的滑动杆活动连接；所述定位滑动支座与所述挡板相对的一侧分别相对应的设有凸起，所述凸起之间安装有第一不锈钢压簧；在挡板与基座上表面组成的正六边形空间内填充有所述刚性球状颗粒，所述刚性球状颗粒在垂直方向上叠加排列形成两层以上的刚性球状颗粒层，组成刚性球状颗粒的二维周期结构；所述定位滑动支座与所述挡板上相对应的设有传振杆孔，所述传振杆的一端依次穿过定位滑动支座上的传振杆孔、第二不锈钢压簧、垫片、螺母、挡板上的传振杆孔，且与底层刚性球状颗粒最外侧一列的中心颗粒同心正接触。

2.根据权利要求1所述一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，所述基座是由塑料制成的圆柱体形状，基座上表面为聚四氟乙烯材料，水平放置于稳定的平台上。

3.根据权利要求1所述一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，所述贯通孔平行于基座上表面、垂直于卡槽方向。

4.根据权利要求1所述一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，所述第二不锈钢压簧的一端与所述垫片接触，另一端与所述定位滑动支座接触。

5.根据权利要求1所述一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，通过调节所述螺母使第二不锈钢压簧轻微收缩，以使传振杆保持与边心刚性球状颗粒接触。

6.根据权利要求1所述一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，每层刚性球状颗粒层中每三个颗粒产生的凹陷处叠放刚性球状颗粒，形成两层以上的紧密排列的刚性球状颗粒结构。

7.根据权利要求1所述一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，所述基座上还设有用于紧固所述定位滑动支座的插销，所述插销穿过卡齿和卡槽。

8.根据权利要求1所述一种用于隔振降噪的颗粒状平面型弹性波超材料装置，其特征在于，所述基座上预留有位于定位滑动支座之间的方形孔，所述方形孔内设有传振杆支座。

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