CN113074203B - 一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，包括声子晶体、颗粒阻尼器、散体颗粒群、缓冲材料和外腔体。声子晶体由两种六边形格栅组成，一种是不锈钢材料，另一种是类ABS树脂材料，两种材料的六边形格栅按一定顺序周期排列组成双振子周期结构，该结构存在两条可调节的带隙，在带隙内可以抑制能量的传递；散体颗粒群由两种直径不同的304不锈钢小球组成，可以增加摩擦耗能和降低噪音的产生；缓冲材料为橡胶垫，可以增加阻尼并且减少振动时产生的噪音；外腔体为长方体结构，由3240环氧树脂板粘接而成，将双振子周期结构放置到外腔体内，固定于主体结构上，用来消耗结构的能量。

Description

一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置
技术领域
本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置。
背景技术
颗粒阻尼器起源于冲击减振器，因为其结构简单，安装方便，减振效果良好，可适用于多种复杂环境，在工程中得到了广泛应用。然而，由于大质量块在冲击时产生较大噪音，基于这一缺点，人们对阻尼技术进行了深入的研究，因此颗粒阻尼技术应运而生，颗粒阻尼器延续可冲击阻尼结构简单，易于安装，可适用于多种环境等优点，且在降噪方面效果明显。颗粒阻尼器是一种将不同材料、不同形状、不同尺寸的颗粒封闭在一个腔体内，这个腔体可以是结构内部的空腔，也可以是附着在结构上的空腔，颗粒阻尼器具有高度的非线性行为，通过颗粒与腔体的碰撞以及颗粒间的摩擦碰撞来耗散结构的动能，实现减振效果。目前，颗粒阻尼减振技术已经广泛应用在航空航天、土木建筑及汽车等多个领域。例如，在飞机制造方面，人们设计了一种基于颗粒阻尼碰撞阻尼的导管减振器，用于飞机液压系统，在保证飞机顺利飞行上起到了至关重要的作用；在汽车制造方面，人们通过在汽车板件中加入颗粒阻尼器，起到了很好的降噪效果等。
声子晶体时一种具有周期性的人工结构，且可呈现出带隙特性得声学功能材料，由于声子晶体丰富的声学特性以及超强的可设计性，受到各界的广泛关注，通过对带隙位置的调节，可设计在禁带内的完全无振工作环境，以及可设计出新型的隔振降噪材料。如今，声子晶体已经在减振降噪领域展现出了广泛的应用前景，相关的研究引起了国内外学者的极大关注。
隔振技术是工程振动控制的一种重要的方法，一直是振动与噪声控制领域研究的重要问题之一。隔振技术即于机械设备和振源之间安装某种弹性元件或装置来对振动的直接传递进行隔离，其实质为在机械设备与振源之间安装一子系统，使得基础和振源之间的近似刚性连接转化为弹性连接，以达到减振隔振的目的。传在统的声子晶体减振装置，存在减振效果差，带隙宽度较窄，工作频率单一的缺点，只允许在禁带内工作。而且，一维的声子晶体减振装置存在工作方向上的局限性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，结合声子晶体减振器和颗粒阻尼器的优点，可在宽频率范围内实现减振降噪。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，包括声子晶体、颗粒阻尼器、散体颗粒群、外腔体以及缓冲材料，所述外腔体内壁设置有所述缓冲材料，外腔体内放置有所述声子晶体，所述的声子晶体由两种尺寸相同、材质不同的六边形格栅周期性排列组成，六边形格栅的其中一种由不锈钢材质构成，另一种由ABS树脂材质构成，每个不锈钢材质的六边形格栅内放置有所述散体颗粒群形成颗粒阻尼器；六边形格栅彼此之间通过AB胶粘接在一起。
进一步的，所述的声子晶体结构存在带隙特性，能够在禁带频率内抑制声波/弹性波的传播。
进一步的，所述的颗粒阻尼器通过颗粒群间的碰撞，以及颗粒群与六边形格栅的碰撞耗散主体结构的能量，且能够在带隙内加强能量的衰减效果。
进一步的，不锈钢材质的六边形格栅，其弹性模量参数为E＝195GPa，密度为ρ＝7930kg/m3，泊松比为ν＝0.25。
进一步的，树脂材质的六边形格栅，其弹性模量参数为E＝2.65GPa，密度为ρ＝1350kg/m3，泊松比为ν＝0.43。
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，散体颗粒群的弹性模量参数为E＝195GPa，密度为ρ＝7930kg/m3，泊松比为ν＝0.25。
进一步的，所述外腔体采用3240环氧树脂板。
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.本发明装置解决了传统的声子晶体减振器工作频率范围窄，减振效果差的不足，结合颗粒阻尼技术，在通带内也可通过颗粒间的碰撞摩擦来耗散主体结构的动能，在禁带范围内时，颗粒间的碰撞以及摩擦可强化能量的衰减效果，可达到在宽频范围内的减振隔振的目的，实现对一些仪器的保护作用。
2.相较于传统的颗粒阻尼器，本发明采用两种直径不同的小球颗粒，一方面克服了同直径情况下，颗粒群接触面积小，损耗能量效率低的问题，另一方面减小了颗粒群的总质量，大大减少了碰撞时噪音的产生。
3.本发明相较于一维的隔振降噪装置可实现在平面范围内多方向能量的耗散，打破了单一方向上能量控制的局限性。
4.本发明专利结构简单，便于安装，可适应多种复杂环境，相关制作材料不仅易于采购且价格低廉，减振隔振效果明显，具有很好的适用性和经济性。
5.将散体颗粒群放置在不锈钢六边形格栅内，通过颗粒与格栅的碰撞来耗散能量；缓冲材料为橡胶垫，可以增加阻尼并且减少振动时产生的噪音；外腔体为长方体结构，由3240环氧树脂板粘接而成，通过AB胶将两种六边形格栅依次连接，构成双振子周期结构，将双振子周期结构放置到外腔体内，固定于主体结构上，可以消耗结构的能量。
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隔震装置的俯视结构示意图。
图3(a)和图3(b)为本发明实施例提供的两种六边形格栅的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的声子晶体单个周期结构示意图。
图5为本发明实施例提供的单个周期内的不锈钢六边形格栅内置散体颗粒群的示意图。
图6(a)和图6(b)为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在794Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图6(a)表示不锈钢六边形格栅内无颗粒群的情况，而图6(b)表示不锈钢六边形格栅内加入颗粒群的情况。
图7(a)和图7(b)为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在1111Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图7(a)表示不锈钢六边形格栅内无颗粒群的情况，而图7(b)表示不锈钢六边形格栅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1245Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图8(a)表示不锈钢六边形格栅内无颗粒群的情况，而图8(b)表示不锈钢六边形格栅加入颗粒群的情况。
图9(a)和图9(b)为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在1747Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图9(a)表示不锈钢六边形格栅内无颗粒群的情况，而图9(b)表示不锈钢六边形格栅内加入颗粒群的情况。
附图标记：1-不锈钢六边形格栅，2-类ABS树脂六边形格栅，3-散体颗粒群，4-外腔体，5-缓冲材料
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。
弹性波超材料作为一种结构参数周期性变化的人工复合材料，可以改变相关参数设计出复合人们意愿的材料，例如，改变结构在几何形状与材料参数等，实现对弹性波的传播进行调控。本发明实施例提出一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，结合声子晶体结构的带隙特性与颗粒群的碰撞耗能，改善了传统的声子晶体减振器工作范围窄，效果不明显的缺点，克服一维声子晶体隔振装置方向上的局限性，本发明可实现二维平面内多方向能量的控制。本发明提供的一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置可以在较宽频率范围内实现隔振减振效果。
本发明实施例提供的一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置的结构示意图。如图1所示，包括：声子晶体、散体颗粒群3、外腔体4以及缓冲材料5。声子晶体结构由不锈钢六边形格栅1和类ABS树脂六边形格栅2粘接而成，不锈钢六边形格栅1内放置有散体颗粒群3，从而构成颗粒阻尼器；外腔体4内壁均匀粘接有缓冲材料5，用来减少噪音以及增加摩擦耗能。在图1中A处施加激励信号，B处采集信号。图2为本发明实施例提供的隔振装置的俯视结构示意图。
图3(a)和图3(b)为本发明实施例提供的两种六边形格栅结构示意图，分别由两种材料制成，一种为不锈钢材料，弹性模量E＝193GPa，泊松比ν为0.25，密度ρ为7930kg/m3，内置散体颗粒群；另一种为类ABS树脂材料，弹性模量E＝2.65GPa，泊松比ν为0.43，密度ρ为1350kg/m3。
图4为本发明实施例提供的声子晶体单个周期结构的示意图，通过AB胶将两种六边形格栅依次连接，构成双振子周期结构，双振子结构存在两条可调节的带隙，可以在禁带内抑制能量的传输。
图5为本发明实施例提供的单个周期内的不锈钢六边形格栅内置散体颗粒群的示意图，如图所示，在不锈钢六边形格栅1内放置散体颗粒群3。一方面，不锈钢六边形格栅1内壁较为粗糙，可增加颗粒群与格栅内壁摩擦耗能；另一方面，两种不同直径的不锈钢颗粒小球增加了碰撞接触面积，提高了耗散效率。
上述实施例中涉及的基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置的工作原理如下：
带隙特性是声子晶体和弹性波超材料的一个重要特性，可以使隔振性能在相应的禁带内显著提高。因此，人们在声子晶体隔振装置的结构设计理念方面进行了广泛的研究。本发明提出了一种基于二维声子晶体和颗粒阻尼器的隔振装置，结合了传统声子晶体与颗粒阻尼器的优点，弥补了传统声子晶体隔振器的工作频率范围窄，宽频范围内隔振效果差的不足。在声子晶体通带内时，可通过颗粒阻尼器来消耗主体结构的能量；在声子晶体禁带范围内时，声子晶体的带隙特性可以抑制弹性波的传播，强化能量的衰减效果，可显著提高能量的衰减。
图6(a)和图6(b)为振动频率为794Hz时的响应图，图6(a)为没有加入散体颗粒群时的响应图，图6(b)为加入散体颗粒群后的响应图。该频率处在第一通带范围内，如图6(a)所示，激励端的加速度幅值与接收端的加速度幅值基本一致，说明在该频率时弹性波是可以在声子晶体内传播的；而在加入散体颗粒群后，如图6(b)所示，接收端的加速度幅值有了一定的衰减，由于散体颗粒间的摩擦碰撞，以及颗粒与结构间的摩擦碰撞耗散了一部分能量，导致了信号的衰减。
图7(a)和图7(b)为振动频率为1111Hz时的响应图，图7(a)为没有加入散体颗粒群时的响应图，图7(b)为加入散体颗粒群后的响应图。该频率处在第一禁带范围内，如图7(a)所示，激励端的加速度幅值远远大于接收端的加速度幅值，说明在该频率时弹性波被禁止在声子晶体内传播；而在加入散体颗粒群后，如图7(b)所示，接收端的加速度幅值相较于图7(a)有了进一步的减小，说明颗粒与颗粒、颗粒与结构间的碰撞和摩擦消耗了主体结构的振动能量，强化了衰减效果。
图8(a)至图9(b)为振动频率为1245Hz和1747Hz时的响应图，分别处在第二通带和第二禁带内。图8(a)和图9(a)为没有加入散体颗粒群时的响应图，图8(b)和图9(b)为加入散体颗粒群后的响应图。通过对比加入散体颗粒群前后接收端加速度幅值的变化可以发现，散体颗粒群的加入可以耗散一部分能量，一方面弥补了声子晶体隔振器在隔振效果差的不足，另一方面在声子晶体禁带范围内时，通过颗粒间以及颗粒和主体结构的摩擦碰撞可以耗散能量，强化能量的衰减效果。
综上所述，本发明实施例提供的装置相比传统的声子晶体隔振装置，本发明采用两种不同材质的六边形格栅周期交替排列构成双振子模型，该结构存在两条可调节的禁带，可在较宽频率范围内控制弹性波的传播。该装置结合了颗粒碰撞阻尼技术，通过颗粒间的摩擦碰撞，以及颗粒与主体结构的摩擦碰撞来转移及耗散主体结构的能量，颗粒群的加入强化了能量的衰减，更好的实现了减振隔振的效果。
本发明的装置只测试了以上4个频率处的稳态位移激励，但是通过调节激励信号，可以实现不同频率时的衰减响应。
本发明的装置整体由不锈钢六边形格栅以及类ABS树脂六边形格栅粘接固定组成。该装置结构简单，易于采购，安装方便且安装完成后易于操作。
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。
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 (4)

1.一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，其特征在于，包括声子晶体、颗粒阻尼器、散体颗粒群、外腔体以及缓冲材料，所述外腔体内壁设置有所述缓冲材料，外腔体内放置有所述声子晶体，所述的声子晶体由两种尺寸相同、材质不同的六边形格栅周期性排列组成，六边形格栅的其中一种由不锈钢材质构成，另一种由ABS树脂材质构成，每个不锈钢材质的六边形格栅内放置有所述散体颗粒群形成颗粒阻尼器；六边形格栅彼此之间通过AB胶粘接在一起，构成双振子周期结构，双振子结构存在两条可调节的带隙，能够在禁带内抑制能量的传输，不锈钢材质的六边形格栅，其弹性模量参数为E=195GPa，密度为ρ=7930kg/m3，泊松比为ν=0.25；树脂材质的六边形格栅，其弹性模量参数为E=2.65GPa，密度为ρ=1350kg/m3，泊松比为ν=0.43；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，散体颗粒群的弹性模量参数为E=195GPa，密度为ρ=7930kg/m3，泊松比为ν=0.25。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，其特征在于，所述的声子晶体结构存在带隙特性，能够在禁带频率内抑制声波/弹性波的传播。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，其特征在于，所述的颗粒阻尼器通过颗粒群间的碰撞，以及颗粒群与六边形格栅的碰撞耗散主体结构的能量，且能够在带隙内加强能量的衰减效果。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维弹性波超材料和颗粒碰撞阻尼的隔振装置，其特征在于，所述外腔体采用3240环氧树脂板。
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