CN113007254B - 一种具有颗粒阻尼特性的弹性波超材料隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有颗粒阻尼特性的弹性波超材料隔振装置，包括腔体、声子晶体、散体颗粒群、缓冲材料；腔体由长方体空腔和阻尼器空腔相互连接组成，长方体空腔内安装有声子晶体，阻尼器空腔内放置有散体颗粒群并共同组成颗粒阻尼器，腔体内壁均粘接有缓冲材料，声子晶体由弹簧和质量块依次相互连接组成，每个质量块上设置有T型滑块，长方体空腔内安装有导轨，T型滑块滑动连接于导轨。在外部激励下，由于声子晶体的带隙特性，在带隙频率范围内时，弹性波是不允许通过的，可以很好的抑制能量的传递，在接收端的幅值衰减很大；在加入颗粒群后，强化了衰减效果，在声子晶体通带频率范围内时，接收端的幅值也会有一定的衰减。

Description

一种具有颗粒阻尼特性的弹性波超材料隔振装置

技术领域

本发明涉及人工弹性波超构材料与声子晶体技术领域，具体为一种具有颗粒阻尼特性的弹性波超材料隔振装置。

背景技术

近年来，声子晶体以及弹性波超材料逐渐开始兴起和发展，声子晶体是一种人造周期结构，具有一个十分重要的特性—弹性波带隙特性。在通带频率范围内时，弹性波允许在声子晶体内传播，在带隙(禁带)频率范围内，弹性波能够迅速衰减，这一特征在隔振上有巨大的应用前景。但对于声子晶体，其只在禁带频率范围内有隔振的效果，而且在高频段容易出现禁带。当受到空间和重量的限制时，声子晶体隔振器往往只能在较窄的频率范围内出现禁带，且当声子晶体受周期数的限制时隔振效果较差。因此，利用声子晶体的带隙特性，可以设计出全新隔振降噪材料，但是也会存在一定的缺陷。

由于单颗粒的冲击阻尼器在工作时会产生较大的噪音，以至于在后期研究中心人们用等质量的小颗粒代替单一固体质量块，得到了颗粒阻尼器。根据单元内颗粒数目的不同，可分为，单单元单颗粒冲击阻尼器、多单元单颗粒冲击阻尼器、单单元多颗粒阻尼器及多单元多颗粒阻尼。颗粒阻尼器是一种带有自由质量的高非线性阻尼器，通过颗粒—结构、颗粒—颗粒间的碰撞与摩擦来实现动量交换以及结构能量的耗散或转移，从而减小主系统的振动幅值，具有结构简单、成本低廉、耐久性好、可靠度高、对工作环境要求低等优点，目前多用于机械和土木建筑等领域，发展潜力和应用前景十分广泛。

然而，传统的颗粒阻尼器也存在一些不足，例如，颗粒群是由尺寸相同的颗粒组成，在外部激励情况下颗粒间的相互碰撞次数少，以及接触面有限等导致耗能效率大大降低，另外颗粒阻尼器在工作时会伴随着大量的噪声，而噪声的产生与颗粒群的质量有着密切的联系。因此在实际工程应用中，这些缺陷成为颗粒阻尼器发展道路上一块绊脚石。增加耗能效率及降低颗粒阻尼器工作时产生的噪声，对于实际工程上的减振降噪具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种固定在振动结构上的，通过声子晶体带隙调节与散体颗粒群内颗粒小球间碰撞耗散能量的，基于声子晶体和颗粒阻尼器的减振降噪装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有颗粒阻尼特性的弹性波超材料隔振装置，包括腔体、声子晶体、散体颗粒群、缓冲材料；所述腔体由长方体空腔和阻尼器空腔相互连接组成，长方体空腔内安装有声子晶体，阻尼器空腔内放置有散体颗粒群并共同组成颗粒阻尼器，所述腔体内壁均粘接有缓冲材料，所述声子晶体由弹簧和质量块依次相互连接组成，每个所述质量块上设置有T型滑块，长方体空腔内安装有导轨，所述T型滑块滑动连接于所述导轨。

进一步的，散体颗粒群由直径分别为10mm和5mm的两种304不锈钢制颗粒球组成。

进一步的，所述的声子晶体结构存在带隙，通过带隙能够阻止固定频率的弹性波进行传播。

进一步的，所述质量块为边长为10mm的铝制立方体组成，密度为2700kg/m3，所述弹簧材质采用304不锈钢，弹簧线径0.5mm，外径10mm。

进一步的，腔体由不锈钢材质构成，长方体空腔和阻尼器空腔相互焊接。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.本发明装置较传统的声子晶体隔振器相比，弥补了其隔振频率过窄，隔振效果差的缺点。结合传统声子晶体隔振降噪装置与颗粒阻尼器的优点，在通带频率范围内，散体颗粒群可以转移和耗散结构的动能；在禁带频率范围内时，声子晶体的禁带特性和颗粒阻尼器共同作用，强化衰减效果。

2.本发明装置较传统的颗粒阻尼器相比，声子晶体的引入，在禁带频率范围内强化了能量的衰减效果。利用声子晶体的带隙特性，在禁带频率范围内，弹性波不允许在声子晶体内传播，可抑制能量的传输；另一方面，加之与颗粒阻尼器共同作用，通过颗粒群的碰撞及摩擦进一步转移和耗散了主体结构的能量。

3.本发明中的颗粒群由两种直径不同的小球组成，一方面控制了颗粒群的质量，减小颗粒阻尼器工作时产生的噪声；另一方面增加了颗粒间的摩擦接触面，提高了能量的消耗效率，可以更好的耗散结构的动能。

4.本发明的隔振降噪装置结构形式简单，尺寸灵活，安装方便，受安装场地的影响较小，可以灵活地布置在不同的位置，可是适用于多种环境，采用廉价的颗粒作为附加阻尼的提供载体，降低了造价，经济性和适用性更强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的隔振装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的图1中隔振装置的俯视结构示意图。

图3为本发明实施例提供的声子晶体结构示意图。

图4为本发明实施例提供的声子晶体和导轨滑动连接的主视图。

图5为本发明实施例提供的声子晶体和导轨滑动连接的左视图。

图6为本发明实施例提供的声子晶体的带隙图。

图7(a)和图7(b)为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在1203Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图7(a)表示阻尼器空腔内无颗粒群的情况，而图7(b)表示阻尼器空腔内加入颗粒群的情况。

图8(a)和图8(b)为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在1588Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图8(a)表示阻尼器空腔内无颗粒群的情况，而图8(b)表示阻尼器空腔内加入颗粒群的情况。

附图标记：1-长方体空腔，2-阻尼器空腔，3-散体颗粒群，4-质量块，5-弹簧，6-导轨，7-T型滑块

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

声子晶体作为一种材料参数周期变化的人工结构，具有带隙特性，通过对声子晶体结构的设计可以对弹性波的传播特性进行人为调控。利用声子晶体的带隙特性，本发明实施例提出了一种结合声子晶体与颗粒阻尼器的隔振降噪装置。当以通带范围内的某一频率从L处激励时，弹性波是可以在声子晶体结构内传播的，但是，由于另一端的颗粒阻尼器的存在，通过颗粒与腔体、颗粒与颗粒间的碰撞以及摩擦，可以在一定程度上衰减激发信号；当外部激励频率在禁带频率范围内时，弹性波是不能在声子晶体内传播的，可以控制能量的传输，而通过腔体传递的能量，由于颗粒阻尼器内颗粒群之间的碰撞、摩擦，也会得到消耗，进一步强化了激发信号的衰减。利用两种结构对能量的调控，本发明提供的基于声子晶体和颗粒阻尼器的减振降噪装置可以在较宽频率范围内耗散结构的动能，弥补了传统的声子晶体隔振降噪装置工作范围窄的缺陷。

本发明实施例的基于声子晶体和颗粒阻尼器的减振降噪装置所采用的方案是：在装置的L处施加稳态激励，在R处接收激发信号。分别测试在不同频率下的、有无加入颗粒群时的接收端的响应信号，通过软件的处理后进而得到该装置隔振降噪的结果。激励频率落在通带频率范围内时，颗粒阻尼器可耗散主体结构的能量，而激励频率落在通带频率范围内时，利用声子晶体的带隙特性，激励信号会得到迅速衰减，控制能量的传递，此时，与颗粒阻尼器共同作用，强化能量的耗散效果，实现减振的目的。

本发明实施例提供的基于声子晶体和颗粒阻尼器的减振降噪装置如图1所示，包括腔体、声子晶体、散体颗粒群、缓冲材料。腔体由长方体空腔1和阻尼器空腔2相互连接组成，长方体空腔1内安装有声子晶体，阻尼器空腔2内放置有散体颗粒群3并共同组成颗粒阻尼器；腔体内壁均粘接有缓冲材料。声子晶体由立方体质量块4和弹簧5周期排列组成；每个质量块4上设置有T型滑块7，长方体空腔内安装有导轨6，T型滑块7滑动连接于导轨6。腔体为不锈钢材质的长方体；散体颗粒群由两种材质相同，直径不同的不锈钢颗粒小球组成，两种小球的直径分别为10mm和5mm；缓冲材料为橡胶垫，起到增加摩擦以及减少噪音的作用。在L处施加激励，R处接受响应信号。

图2为提供的基于声子晶体和颗粒阻尼器的减振降噪装置的俯视图。腔体的材质为不锈钢，弹性模量E＝193Gpa，泊松比ν为0.25，密度ρ为7930kg/m3，立方体质量块4的弹性模量材料E＝70GPa，泊松比ν为0.33，密度ρ为2700kg/m3。

图3为本发明实施例提供的声子晶体结构及其单胞结构示意图，声子晶体结构为弹簧–质量模型，由不锈钢弹簧5和铝制立方质量块4组成，通过将弹簧5与立方体的质量块4依次连接，本实施例中立方质量块顶部预留螺栓孔或者设置带有螺纹的通孔，与导轨6上预留的螺栓固定，一方面用来保证各个质量块的中心在同一水平线上，另一方面使得声子晶体在沿着导轨6方向上不受约束。

在无外力时，第n个立方质量块的运动方程可以描述为：

式中，m代表立方质量块的质量；u_n代表第n个质量块相对于初始位置的位移；k表示不锈钢弹簧的刚度系数。

不锈钢弹簧的刚度系数可以表示为：

式中，G代表弹簧的切变模量，本文中G＝72GPa；d代表弹簧线径，本文中取d＝0.5mm；D代表弹簧中心直径，本文中取D＝10mm；n代表有效圈数，取n＝10。

假设上述的方程的解为：

u_n＝Ae^i(qna-wt)

式中，A代表立方质量块的振动幅值；q代表波数；a代表晶格常数；ω代表角频率。

将方程的解带入到方程里得：

-mω²Ae^i(qna-ωt)＝-k(2-e^-iqa-e^iqa)Ae^i(qna-ωt)

经过化简得到q相对应的频率为：

即为色散关系。

图4及图5为本发明实施例提供的声子晶体和导轨滑动连接的示意图，弹簧和质量块依次粘接好后，将声子晶体与导轨上预留的螺栓固定，保证声子晶体各个单胞的中心在同一水平线上，同时使得声子晶体在轴方向上不受约束。

上述实施例中涉及的基于声子晶体和颗粒阻尼器的减振降噪装置的工作原理如下：

传统的隔振降噪技术往往存在隔振效果不佳、重量、体积较大的局限性。然而，声子晶体的带隙特性为基于结构的弹性波控制提供了多种新的技术途径，大大提高了隔振降噪设计的灵活性。当弹性波的传播频率在带隙范围内时，声子晶体装置可以实现弹性波信号的强衰减效果。

图6为本发明实施例提供的声子晶体带隙图，频率在0–1250Hz是声子晶体的通带频率范围，弹性波可以在装置内传播，在1250Hz以上则是声子晶体的禁带频率范围，弹性波是不允许在声子晶体中传播的。

本发明实施例提供了两种频率下的测量结果，图7(a)和图7(b)为本发明实施例提供的通带情况时的实验响应图，取外部激振频率为1203Hz，分别测得在颗粒阻尼器空腔内没有加入颗粒群时的响应(如图7(a))，以及在颗粒阻尼器空腔加入颗粒群时的响应结果(如图7(b))。如图7(a)所示，在不加入颗粒群时，频率处在声子晶体通带范围内，激励端和接收端的加速度幅值基本一致，表示弹性波可以通过声子晶体。图7(b)表示在加入颗粒群后的响应图，通过对比，虽然接收端仍然可以接收到信号，但是可以发现，接收端的加速度幅值明显变小了，表明颗粒群与结构的碰撞及摩擦消耗了主体结构的能量。

图8(a)和图8(b)为本发明实施例提供的禁带情况时的实验响应图，取外激振频率为1588Hz，分别测得颗粒阻尼器空腔内没有加入颗粒群时的响应(如图8(a))，以及加入颗粒群时的响应结果(如图8(b))。如图8(a)所示，在没有加入颗粒群时，激励端的加速度幅值远远大于和接收端的幅值，表示弹性波在声子晶体内迅速衰减，禁止在其内部传播。图8(b)表示在加入颗粒群后的响应图，虽然激励端的信号幅值依然远远大于接收端，但是，通过对比，可以发现，相较于图8(a)中接收端的幅值，图8(b)中接收端的幅值明显变小了，表明颗粒群的加入耗散了主体结构的能量，强化了衰减的效果。

综上所述，本发明实施例的装置相比于传统的颗粒阻尼器，通过引入声子晶体结构，结合其带隙特性来调节弹性波装置内的传播，控制能量的传输，进而加入颗粒群，由于颗粒间的摩擦及碰撞转移并耗散了主体结构的能量，可强化衰减的效果。

本发明的装置只测试了某特定频率下的激励，但是通过调节激励信号，可以实现不同低频率范围内的衰减响应。

本装置主体结构为不锈钢的长方体腔体，腔体内壁均附上缓冲材料。该装置的结构设计简单，易于采购装配，具有更好的实用性和经济性。

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。

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。

Claims (2)

1.一种具有颗粒阻尼特性的弹性波超材料隔振装置，其特征在于，包括腔体、声子晶体、散体颗粒群、缓冲材料；所述腔体由长方体空腔和阻尼器空腔相互连接组成，长方体空腔内安装有声子晶体，阻尼器空腔内放置有散体颗粒群并共同组成颗粒阻尼器，所述腔体内壁均粘接有缓冲材料，所述声子晶体由弹簧和质量块依次相互连接组成，每个所述质量块上设置有T型滑块，长方体空腔内安装有导轨，所述T型滑块滑动连接于所述导轨，散体颗粒群由直径分别为10mm和5mm的两种304不锈钢制颗粒球组成，所述的声子晶体结构存在带隙，通过带隙能够阻止固定频率的弹性波进行传播，所述质量块为边长为10mm的铝制立方体组成，密度为2700kg/m³，所述弹簧材质采用304不锈钢，弹簧线径0.5mm，外径10mm。

2.根据权利要求1所述一种具有颗粒阻尼特性的弹性波超材料隔振装置，其特征在于，腔体由不锈钢材质构成，长方体空腔和阻尼器空腔相互焊接。

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