CN112962361B - 动力吸振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动力吸振装置，包括至少一个吸振主体和至少一个黑洞结构，其中，该吸振主体连接被减振结构并用于吸收被减振结构的振动，变截面部的厚度沿靠近吸振主体的方向逐渐变大，动力吸振装置的固有频率与被减振结构的固有频率相匹配，由于黑洞结构只需在截止频率之上就能够起到减振效果，所以具有宽频特性，并且由于声学黑洞效应，理想状态下，振动波在黑洞结构内传播时，当变截面部的厚度衰减为零时，其波速可以减小为零，使得该动力吸振装置能够将截止频率以上的弹性波聚集在小厚度处，被附加的阻尼材料耗散，拓展了减振降噪的频率范围，提高了减振降噪效果。

Description

动力吸振装置

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，更具体地说，是涉及一种动力吸振装置。

背景技术

目前轨道交通为达到减振降噪的目的，主要从振源、传播途径、受振体这3个方面来考虑。其中，振源减振降噪技术为主要控制措施，并且也是最有效的，通常，钢轨减振降噪技术为最常见振源控制技术。钢轨振动控制技术现阶段主要采用阻尼技术，主要分为阻尼钢轨和钢轨动力吸振装置。阻尼钢轨对中、高频段内的钢轨振动噪声具有良好的减振降噪效果，但对于需要控制的钢轨主频振动，其减振降噪效果有限；钢轨动力吸振装置虽能对钢轨主频振动进行有效控制，但是现有技术中的动力吸振装置，仅能够在其固有频率附近对被减振结构的振动进行有效控制，其减振降噪的频率范围较窄，导致减振降噪的效果有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力吸振装置，以解决现有技术中存在的动力吸振装置减振降噪的频率范围较窄，导致减振降噪的效果有限的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种动力吸振装置，与被减振结构配合使用，所述动力吸振装置包括至少一个吸振主体及至少一个黑洞结构，所述吸振主体连接所述被减振结构，以吸收所述被减振结构的振动，所述黑洞结构包括连接于所述吸振主体的变截面部，所述变截面部的厚度沿靠近所述吸振主体的方向逐渐变大，所述变截面部的固有频率与所述被减振结构的固有频率相匹配，所述变截面部采用金属材料制成。

进一步地，所述变截面部的厚度沿靠近所述吸振主体的方向呈幂函数变化。

进一步地，所述幂函数为：h(x)＝ε(x-x₀)^m+h₀/2，指数m≥2，其中(x₀＜x≤x₁)；其中，x表示所述变截面部中的某一点与所述黑洞结构外边缘之间的水平距离，h(x)表示该点与所述黑洞结构的中轴线之间的垂直距离， x₀表示最小厚度的延伸距离，x₁表示当所述变截面部表面的某一个点与所述黑洞结构的中轴线之间的垂直距离最大时，该点与所述黑洞结构外边缘之间的延伸距离，h₀表示所述黑洞结构的最小厚度。

进一步地，所述黑洞结构还包括连接于所述变截面部远离所述吸振主体一侧的延伸部，所述延伸部的厚度沿靠近所述吸振主体的方向呈常数函数变化，所述常数函数为：h(x)＝h₀/2,所述吸振装置还包括与所述变截面部连接的阻尼件，所述阻尼件由黏弹性材料制成并用于提高所述变截面部的结构损耗因子，以将所述变截面部的振动能量耗散。

进一步地，所述变截面部具有至少一个吸振凹弧面。

进一步地，所述变截面部具有两个所述吸振凹弧面，两所述吸振凹弧面以所述变截面部的中轴线为轴对称设置。

进一步地，所述吸振主体呈立方体，所述吸振主体的厚度与所述黑洞结构的最大厚度相等。

进一步地，所述变截面部和所述延伸部均设有两个，两所述变截面部沿所述吸振主体的中轴线对称设置，且两所述延伸部沿所述吸振主体的中轴线对称设置。

进一步地，所述动力吸振装置还包括与所述吸振主体连接的底板，所述底板能够与所述被减振结构贴紧连接。

进一步地，所述吸振主体与所述底板钎焊连接。

本发明提供的动力吸振装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明动力吸振装置与被减振结构配合使用，包括至少一个吸振主体和至少一个黑洞结构，该黑洞结构包括连接于吸振主体的变截面部，变截面部的厚度沿靠近吸振主体的方向逐渐变大，动力吸振装置的固有频率与被减振结构的固有频率相匹配，由于黑洞结构只需在截止频率之上就能够起到减振效果，所以具有宽频特性，并且由于声学黑洞效应，振动波在最小厚度接近于零的黑洞结构内传播时，振动波的波速可以逐渐减小到趋近于零，使得该动力吸振装置能够将截止频率以上的弹性波聚集在小厚度处，被附加的阻尼材料耗散，拓展了减振降噪的频率范围，提高了减振振降噪效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，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动力吸振装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的黑洞结构的水平延伸长度和厚度之间的函数关系示意图。

其中，图中各附图标记：

100、吸振主体；200、黑洞结构；210、变截面部；211、吸振凹弧面； 220、延伸部；300、阻尼件；400、底板；500、局部振子；510、柔性件； 520、重量块；

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本发明提供的动力吸振装置进行说明。动力吸振装置，与被减振结构配合使用，需要说明的是，在本发明中被减振结构可以是汽车或者火车或者轨道结构中需要被减振的零部件，或者可以是钢轨、轨道板，本发明中的被减振结构指的是轨道交通中的钢轨或轨道板，该动力吸振装置能够贴紧连接于钢轨和轨道板，该动力吸振装置包括至少一个吸振主体100和至少一个黑洞结构200。

其中，该吸振主体100连接被减振结构，用以吸收被减振结构的振动，需要说明的是，吸振主体100与被减振结构的连接方式不限，可以是直接与被减振结构刚性连接或者间接通过短杆与被减振结构连接，只要满足被减振结构中的振动波能够传递到吸振主体100内的连接方式均在本发明所考虑的范围之内。

优选地，吸振主体100直接与钢轨刚性连接。

黑洞结构200包括连接于吸振主体100的变截面部210，该变截面部 210的厚度沿靠近吸振主体100的方向逐渐变大，需要说明的是，变截面部 210的厚度指的是变截面部210的上表面至变截面部210中轴线的垂直距离，使得该变截面部210的厚度能够沿靠近吸振主体100的方向呈幂函数变化，从而使该变截面部210能够产生声学黑洞效应。

动力吸振装置的固有频率与被减振结构的固有频率相匹配，需要说明的是，动力吸振装置的固有频率和被减振结构的固有频率相匹配指的是：动力吸振装置的固有频率和被减振结构的固有频率范围接近，能够最大程度降低被减振结构在固定频率处振动时，动力吸振装置的一阶固有频率。具体地，可以通过调整动力吸振装置的材料和几何尺寸使得二者的固有频率匹配。可以理解地是，固有频率匹配能够极大程度上减少被减振结构在吸振主体100 附着点的运动，并且基于动力吸振原理可最大的降低振动，能够达到最好的减振降噪效果。

变截面部210采用金属材料制成，具体地，该金属材料可以为铜、铅或者高质量密度和低弹性模量的材料。本发明实施例对变截面部210的材料不作限制，只要满足截止频率及固有频率的减振降噪要求的材料均在本发明实施例所考虑的范围之内。

优选地，该变截面部210采用铅制成。

需要说明的是，吸振主体100和黑洞结构200的材料均采用金属材料制成，具体地，该金属材料可以为铜、铅或者高质量密度和低弹性模量的材料。

本发明提供的动力吸振装置，与现有技术相比，本发明动力吸振装置与被减振结构配合使用，包括至少一个吸振主体100和至少一个黑洞结构 200，其中，该黑洞结构200包括连接于吸振主体100的变截面部210，变截面部210的厚度沿靠近吸振主体100的方向逐渐变大，变截面部210的固有频率与被减振结构的固有频率相匹配，由于黑洞结构200只需在截止频率之上就能够起到减振效果，所以具有宽频特性，并且由于声学黑洞效应，振动波在最小厚度接近于零的黑洞结构200内传播时，振动波的波速可以逐渐减小到趋近于零，使得该动力吸振装置能够将截止频率以上的弹性波聚集在小厚度处，被附加的阻尼材料耗散，拓展了减振降噪的频率范围，提高了减振降噪效果。

请参阅图2，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，变截面部210的厚度沿靠近吸振主体100的方向呈幂函数变化，保证了该变截面部210能够发挥出声学黑洞效应。延伸部220的厚度沿靠近吸振主体 100的方向呈常数函数变化。通过在变截面部210的侧部连接一个延伸部 220，一方面可以降低吸振器的固有频率，另一方面使得在变截面部210内传播的振动波能够继续传播至延伸部220中，更加有利于黑洞结构200对振动波的吸收和耗散，提高了减振和降噪效果。

请参阅图1，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，吸振主体100和黑洞结构200均设有多个，一黑洞结构200对应连接于一吸振主体100，多个吸振主体100在竖直方向上依次排布并且叠置。需要说明的是，若多层吸振主体100由同一种材料制作而成则可一体成型，若各层吸振主体100不是同一种材料制作而成则可通过铆接、焊接或螺栓连接固定方式依次连接。

需要说明的是，变截面部210可采用不同的材料加工制造，具体地，一变截面部210包括1种及以上的材料。

请参阅图2，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，幂函数为：h(x)＝ε(x-x₀)^m+h₀/2，其中指数m≥2，(x₀＜x≤x₁)；其中，x表示变截面部210中的某一点与黑洞结构200外边缘之间的水平距离，h(x) 表示该点与所述黑洞结构200的中轴线之间的垂直距离，x₀表示最小厚度的延伸距离，x₁表示当变截面部210表面的某一个点与黑洞结构200的中轴线之间的垂直距离最大时，该点与黑洞结构200外边缘之间的延伸距离，h₀表示黑洞结构200的最小厚度。

请参阅图1，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，黑洞结构200还包括连接于变截面部210远离吸振主体100一侧的延伸部220，延伸部220的厚度沿靠近吸振主体100的方向呈常数函数变化，常数函数为：h(x)＝h₀/2,吸振装置还包括与变截面部210连接的阻尼件300，阻尼件 300由黏弹性材料制成并用于提高变截面部210的结构损耗因子，以将变截面部210的振动能量耗散。需要说明的是，当弹性波在变截面部210内传播时，其波速会经历平稳而连续的下降。理想情况下，当变截面部210边缘厚度减小为零时，变截面部210中的波速可减小到零，此时波不会发生反射，所有的波动能量都集中在结构的边缘位置。然而，在实际应用中，边缘厚度永远不能达到零，此时波速仍然平稳地下降，但不会消失。因此，通过在变截面部210上连接阻尼件300，阻尼件300耗散弹性波，从而实现截止频率以上的减振降噪，有效地将振动波的能量耗散。

需要说明的是，阻尼件300需要以反射系数最小为目标，可通过对阻尼件300的几何和材料特性的设计来实现。这些特性主要包括：阻尼层的厚度、安装位置、损耗因子和杨氏模量、密度等。

该阻尼件300反射系数的表达式为：

其中，β₂＝E₂/E₁为阻尼材料与黑洞结构200材料的杨氏模量比；

为阻尼件300材料密度与黑洞结构200密度比；

α(x)＝δ/h(x)为表示阻尼件300与黑洞结构200厚度之比。

请参阅图1，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，变截面部210具有至少一个吸振凹弧面211。

请参阅图1，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，变截面部210具有两个吸振凹弧面211，两吸振凹弧面211以变截面部210的中轴线为轴对称设置。通过设置两个吸振凹弧面211，使得该黑洞结构200 可以吸收更多的弹性波，进一步提高了动力吸振装置的吸振效果。

请参阅图1，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，吸振主体100呈立方体，吸振主体100的厚度与黑洞结构200的最大厚度相等。

请参阅图1，作为本发明提供的动力吸振装置的一种具体实施方式，变截面部210和延伸部220均设有两个，两变截面部210沿吸振主体100的中轴线对称设置，且两延伸部220沿吸振主体100的中轴线对称设置。通过将变截面部210和延伸部220均设为两个，使得一吸振主体100连接两个黑洞结构200，并且该两个黑洞结构的材料可以不相同，使得每一个黑洞结构200可以匹配不同的固有频率，更进一步提高动力吸振装置的吸振效果。

请参阅图1，动力吸振装置还包括与吸振主体100连接的底板400，底板400能够与被减振结构贴紧连接。需要说明的是，底板400的加工形状为适应于被减振结构不规则表面的形状。具体地，底板400可以通过专用粘合剂粘接或者夹具夹紧贴合被减振结构固定。

优选地，吸振主体100与底板400钎焊连接。

请参阅图1，动力吸振装置还包括连接于延伸部220的局部振子500，该局部振子500包括柔性件510以及重量块520，柔性件510的一端连接于延伸部220的外表面，重量块520连接于柔性件510的另一端。可以理解地是，通过在延伸部220上连接局部振子500，黑洞结构200的弹性波能量可以向局部振子500高效转移，从而降低黑洞结构200的有效作用频率。需要说明的是，该动力吸振装置可以根据实际减振需要来选择是否附加局部振子500。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动力吸振装置，与被减振结构配合使用，其特征在于，所述动力吸振装置包括至少一个吸振主体及至少一个黑洞结构，所述吸振主体连接所述被减振结构，以吸收所述被减振结构的振动，所述黑洞结构包括连接于所述吸振主体的变截面部，所述变截面部的厚度沿靠近所述吸振主体的方向逐渐变大，所述变截面部的固有频率与所述被减振结构的固有频率相匹配，所述变截面部采用金属材料制成；

所述变截面部的厚度沿靠近所述吸振主体的方向呈幂函数变化；

所述幂函数为：h(x)=ε(x-x₀)^m+h₀/2，其中指数m≥2，（x₀＜x≤x₁)；其中，x表示所述变截面部中的某一点与所述黑洞结构外边缘之间的水平距离， h(x)表示该点与所述黑洞结构的中轴线之间的垂直距离，x₀表示最小厚度的延伸距离，x₁表示当所述变截面部表面的某一个点与所述黑洞结构的中轴线之间的垂直距离最大时，该点与所述黑洞结构外边缘之间的延伸距离，h₀表示所述黑洞结构的最小厚度；

所述动力吸振装置还包括连接于延伸部的局部振子，所述局部振子包括柔性件以及重量块，所述柔性件的一端连接于延伸部的外表面，所述重量块连接于所述柔性件的另一端；

所述吸振主体和所述黑洞结构均设有多个，多个吸振主体在竖直方向上依次排布并且叠置；

所述变截面部和所述延伸部均设有两个，两所述变截面部沿所述吸振主体的中轴线对称设置，且两所述延伸部沿所述吸振主体的中轴线对称设置；

所述动力吸振装置还包括与所述吸振主体连接的底板，所述底板能够与所述被减振结构贴紧连接；

所述吸振主体与所述底板钎焊连接。

2.如权利要求1所述的动力吸振装置，其特征在于，所述黑洞结构还包括连接于所述变截面部远离所述吸振主体一侧的延伸部，所述延伸部的厚度沿靠近所述吸振主体的方向呈常数函数变化，所述常数函数为：h(x)=h₀/2,所述吸振装置还包括与所述变截面部连接的阻尼件，所述阻尼件由黏弹性材料制成并用于提高所述变截面部的结构损耗因子，以将所述变截面部的振动能量耗散。

3.如权利要求1所述的动力吸振装置，其特征在于，所述变截面部具有至少一个吸振凹弧面。

4.如权利要求3所述的动力吸振装置，其特征在于，所述变截面部具有两个所述吸振凹弧面，两所述吸振凹弧面以所述变截面部的中轴线为轴对称设置。

5.如权利要求2所述的动力吸振装置，其特征在于，所述吸振主体呈立方体，所述吸振主体的厚度与所述黑洞结构的最大厚度相等。

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