CN112499437B - 一种局域共振声子晶体周期结构及电梯减振降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种局域共振声子晶体周期结构及电梯减振降噪装置，属于降噪减振领域。本发明的电梯减振降噪装置由粘贴在轿厢的内壁以及电梯厢门内侧的局域共振声子晶体周期结构构成，局域共振声子晶体周期结构由若干单胞结构紧密排列而成，单胞结构包括方形外框架、中心位置的圆形散射体和弹性方环，弹性方环设置在外框架与圆形散射体之间；弹性方环由3/4圆环和圆环通过弹性梁连接而成，3/4圆环设置在弹性方环的四个顶点上，圆环设置在弹性方环四条边的中点；弹性方环对边的两圆环通过弹性梁连接散射体，弹性方环对角线上的两个3/4圆环通过弹性梁连接外框架。

Description

一种局域共振声子晶体周期结构及电梯减振降噪装置

技术领域

本发明属于降噪减振领域，具体涉及一种局域共振声子晶体周期结构及电梯减振降噪装置。

背景技术

随着社会城市化、科技化、现代化的加剧，房地产市场得到了蓬勃的发展，许多高楼大厦拔地而起，但是随之而来的电梯噪声问题也突显出来。电梯在运转时产生的振动和噪声会通过建筑的墙体、楼板以固体传声的方式向周围房间扩散。电梯对长时间在低频噪声污染的房间内工作生活的人们的听力、心血管系统和神经系统损害更为明显，使人心烦意乱，脾气暴躁，尤其对胎腹中的小孩成长发育不良。电梯噪声与日常生活接触的音乐噪声、交通噪声相同，它属于低频噪声(频率在500赫兹以下的声音)。低频噪声的特点为穿透力极强、衰减缓慢、声波较长、其衍射波能轻易绕过障碍物，所以低频噪声不易处理。

近些年来，声学功能材料的发展势头很猛，声子晶体作为其中之一，得到了越来越多的关注。声子晶体是一种由两种及以上材料周期排列的人工复合材料。由于其可以产生禁止弹性波传递的带隙，因此在减振降噪方面上有着良好的应用前景。

根据带隙产生的机理，声子晶体可分为两种类型：布拉格散射型和局域共振型。两者均是结构周期性和单个散射体的Mie散射共同作用的结果，但前者主要是结构的周期性起着主导作用，当入射弹性波的波长与结构的特征长度(晶格常数)相近时，将受到结构强烈的散射；而后者主要是单个散射体的共振特性起主导作用。要在较低频域产生布拉格带隙，需要较大的晶格尺寸，这给实际应用带来很大困难。而局域共振声子晶体能用较小的晶格尺寸在较大的波长下产生带隙，因此在较低频隔音降噪和减振等方面具有重要的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种局域共振声子晶体周期结构及电梯减振降噪装置，抑制电梯升降时的振动与产生的噪声。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种局域共振声子晶体周期结构，由若干单胞结构紧密排列而成；所述单胞结构包括方形外框架、中心位置的圆形散射体和弹性方环，弹性方环设置在外框架与圆形散射体之间；所述弹性方环由3/4圆环和圆环通过弹性梁连接而成，3/4圆环设置在弹性方环的四个顶点上，圆环设置在弹性方环四条边的中点；弹性方环对边的两圆环通过弹性梁连接散射体，弹性方环对角线上的两个3/4圆环通过弹性梁连接外框架。

上述技术方案中，所述散射体的材料为铅，所述弹性方环、外框架和弹性梁的材料均为有机玻璃。

一种电梯减振降噪装置，包括上述局域共振声子晶体周期结构，所述局域共振声子晶体周期结构粘贴在轿厢的内壁以及电梯厢门内侧。

本发明的有益效果为：本发明的局域共振声子晶体周期结构由单胞结构紧密排列而成，局域共振声子晶体的单胞结构，包括方形外框架、圆形散射体和弹性方环，外框架与散射体之间设有弹性方环，弹性方环由3/4圆环和圆环通过弹性梁连接而成，整体呈正方形，四个顶点上设置3/4圆环，四条边中点设置圆环；弹性方环对边两圆环通过弹性梁连接中心的圆形散射体，弹性方环对角线上的两3/4圆环通过弹性梁连接方形外框架；本发明的局域共振声子晶体周期结构具有良好的宽带隙特性，可以解决电梯升降产生的振动与噪声的频率范围较宽的问题，具有抑制电梯轿厢内部与住户区的噪声与振动的效果，给乘坐电梯的人以及住户区的住户提供安静舒适的环境。

附图说明

图1为本发明所述局域共振声子晶体周期结构示意图；

图2为本发明所述局域共振声子晶体的单胞结构示意图；

图3为本发明所述局域共振声子晶体周期结构的能带结构图；

图4为本发明所述局域共振声子晶体周期结构的传输谱图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种局域共振声子晶体周期结构由若干单胞结构紧密排列而成；如图2所示，局域共振声子晶体的单胞结构，包括方形外框架、圆形散射体和弹性方环，外框架与散射体之间设有弹性方环，弹性方环由3/4圆环和圆环通过弹性梁连接而成，整体呈正方形，四个顶点上设置3/4圆环，四条边中点设置圆环；弹性方环对边两圆环通过弹性梁连接中心的圆形散射体，弹性方环对角线上的两3/4圆环通过弹性梁连接方形外框架。

圆形散射体的材料为铅，弹性方环、方形外框架和弹性梁的材料均为有机玻璃。

方形外框架的边长为b(晶格常数)，圆形散射体的半径为R，小圆环的内径为r₁，小圆环的外径为r₂，弹性梁的宽度为a；本实施例中，单胞结构的各参数具体数值为：b＝1.5×10^-2m、R＝5.25×10^-3m、r₁＝1×10^-3m、r₂＝1.5×10^-3m、a＝0.5×10^-3m。

电梯升降过程中有一大部分噪声是由轿厢产生的，由于轿厢自重太轻，动态性能差，对振动的屏蔽能力较差，所以可以将局域共振声子晶体周期结构粘贴在轿厢的内壁以及电梯厢门内侧，不仅可以降低电梯内部的噪声与振动，同时能够抑制噪声传播至楼道及住户区。局域共振声子晶体周期结构的大小可以根据所粘贴的表面大小做出调整。

下面利用有限元法计算局域共振声子晶体周期结构的带隙，具体为：首先打开comsol软件中的固体力学模块，输入参数构建模型及添加材料，接着设置Floquet-Bloch周期性边界条件k，添加网格后设置参数化扫描，通过range将k进行划分，然后设置特征频率的个数，最后设置X、Y坐标的表达式并求解，从而得到相应的能带结构图，如图3所示。输入参数包括单胞结构的各参数，具体数值已在上文记载；添加材料的属性如表1所示。

由图3可知，在0Hz～2000Hz的范围内共有8条共振带，这8条共振带形成了两条共振带隙：第一带隙(167.7Hz～299.8Hz)和第二带隙(323.8Hz～692.1Hz)；这两条带隙处于电梯轿厢噪声的频率范围内，所以局域共振声子晶体周期结构可以达到抑制电梯噪声的目的。

表1 材料属性

本发明提出的局域共振声子晶体周期结构在1000Hz以内产生了较宽的带隙，说明其应用于电梯噪声与振动的抑制将具有优越的宽带特性。接来下将结合该局域共振声子晶体周期结构的传输谱图对其降噪减振性能进行分析。

首先在comsol软件的固体力学模块中建立一个在x方向具有20个周期、y方向具有2个周期的局域共振声子晶体周期结构模型，再在y方向上端施加一个值为0.001m/s²的加速度，局域共振声子晶体周期结构上设置频率为1Hz-1000Hz的噪声；在y方向上端选取一个监测点，监测其加速度幅值随频率的变化；如图4所示，由监测点加速度幅值变化得到的传输谱图。传输谱的峰值代表投射系数衰减的程度，图4显示，透射系数在频率165Hz开始出现明显的衰减，直到680Hz透射系数一直处于0dB以下；可见投射系数的起始频率、截止频率与带隙的结果基本吻合，证实了局域共振声子晶体周期结构可以用于抑制电梯升降时轿厢噪声与振动。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种局域共振声子晶体周期结构，其特征在于，由若干单胞结构紧密排列而成；所述单胞结构包括方形外框架、中心位置的圆形散射体和弹性方环，弹性方环设置在外框架与圆形散射体之间；所述弹性方环由3/4圆环和圆环通过弹性梁连接而成，3/4圆环设置在弹性方环的四个顶点上，圆环设置在弹性方环四条边的中点；弹性方环对边的两圆环通过弹性梁连接散射体，弹性方环对角线上的两个3/4圆环通过弹性梁连接外框架；

所述圆形散射体的材料为铅，所述弹性方环的材料为有机玻璃，所述外框架的材料为有机玻璃，所述弹性梁的材料为有机玻璃；

所述方形外框架的边长为b，圆形散射体的半径为R，圆环的内径为r ₁，圆环的外径为r ₂，弹性梁的宽度为a；且：b=1.5×10^-2m、R=5.25×10^-3m、r ₁=1×10^-3m、r ₂=1.5×10^-3m、a=0.5×10^-3m。

2.一种电梯减振降噪装置，其特征在于，包括权利要求1所述的局域共振声子晶体周期结构，所述局域共振声子晶体周期结构粘贴在轿厢的内壁以及电梯厢门内侧。

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