CN113108002B - 一种具有颗粒阻尼特性的立体形式声子晶体隔振降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有颗粒阻尼特性的立体形式声子晶体隔振降噪装置，包括空心大立方箱体、空心小立方箱体、散体颗粒群、缓冲材料；所述空心小立方箱体内放置有所述散体颗粒群形成有所述颗粒阻尼器；所述空心小立方箱体与所述颗粒阻尼器按照体心立方排列构成体心立方体结构；所述空心小立方箱体通过排列组成小立方体结构，所述体心立方体结构与所述小立方体结构在所述空心大立方箱体内按周期顺序排列形成有三维声子晶体；空心大立方箱体表面设置有孔；所述缓冲材料粘接在空心大立方箱体的底部，用于减少振源与隔振装置碰撞产生的噪音。

Description

一种具有颗粒阻尼特性的立体形式声子晶体隔振降噪装置

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三维空间立体形式声子晶体隔振降噪装置。

背景技术

随着科学技术的迅速发展以及人们生活水平的提高，各个领域对结构的振动噪声的控制越来越严格，特别是机械结构的方面的控制。众所周知，在工程中由于振动或者冲击而产生的疲劳破坏、共振等问题会严重影响机械结构的使用寿命，除此之外还会产生噪声，严重的可能会危害人体的生命健康。因此，在实际工程结构中衰减机械结构的振动以及噪声具有重要的意义。

声子晶体是一种人工周期性结构，通过改变其周期性分布或几何参数，可以影响弹性波的传播特性。自从声子晶体这一概念被提出以来，人们在研究其特性问题上从未停歇，例如，带隙特性。带隙特性作为声子晶体的十分重要的特性之一，在带隙频率范围内可以隔离振动，可显著抑制甚至是禁止弹性波在禁带频率范围内传播。基于带隙特性，声子晶体在隔振降噪中应用非常广泛。例如，人们设计了一种用于舰船隔振的蜂窝状声子晶体结构，可抑制单方向上的振动，但是不能抑制三维方向上的振动。针对一维声子晶体隔振装置的不足，本发明提供了一种三维的隔振装置。

碰撞阻尼技术属于振动的被动控制技术，它是利用振动过程中自由质量(颗粒群)与主系统的碰撞来控制主系统的响应，由于碰撞阻尼器结构简单、经济性好，安装方便，且适用于多种环境而得到迅猛的发展。早期的碰撞阻尼器为单振子模式，通过单质量块与主体的碰撞产生动量交换来抑制振动，可有效的降低主系统的能量，但是质量块与主体结构的碰撞会产生较大的噪音。为了克服单质量块碰撞阻尼器的不足，研究人员提出了多种结构来降低碰撞时产生的噪音，例如，将大量铅粒用柔软的袋子包起来来替代单体碰撞阻尼，很好的延长了碰撞的接触时间，降低了碰撞噪音；另一种是将多个质量块进一步细化成颗粒，在主体结构上打孔或预留腔体内填充颗粒，演化形成了颗粒阻尼器，颗粒阻尼器不仅利用了动量交换，还利用了颗粒间的摩擦消耗能量，从而大幅度提高了减振性能，是当前国内外碰撞阻尼领域的研究热点。

然而，目前常见的颗粒阻尼器还存在一些不足：第一，传统的颗粒阻尼器的内置颗粒堆叠在一起，极大的限制了颗粒的运动能力，造成减振效果不佳；其次，颗粒群均采用尺寸一致的颗粒，在外部激励时，碰撞次数少且接触面窄导致能量耗散效率较低；此外，颗粒阻尼器在工作时会产生一定的噪声，而噪声的产生与颗粒群的数量及质量密切相关。因此，研究人员对现有的颗粒阻尼器加以改进，采用两种尺寸不同的颗粒，可以有效的提高耗能能力并降低噪音，这对于实际工程中的减振降噪具有重要意义。

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立体形式声子晶体隔振降噪装置，包括空心大立方箱体、空心小立方箱体、散体颗粒群、缓冲材料；所述空心小立方箱体内放置有所述散体颗粒群形成有所述颗粒阻尼器；所述空心小立方箱体与所述颗粒阻尼器按照体心立方排列构成体心立方体结构；所述空心小立方箱体通过排列组成小立方体结构，所述体心立方体结构与所述小立方体结构在所述空心大立方箱体内按周期顺序排列形成有三维声子晶体；空心大立方箱体表面设置有孔；所述缓冲材料粘接在空心大立方箱体的底部，用于减少振源与隔振装置碰撞产生的噪音。

进一步的，所述空心大立方箱体、空心小立方箱体均采用树脂材料制成，三维声子晶体和颗粒阻尼器的弹性模量参数为E＝2.65GPa，密度为ρ＝1350kg/m³，泊松比为ν＝0.43。

进一步的，所述的三维声子晶体结构存在不同方向带隙，通过带隙能够阻止1516Hz～2322Hz的较宽频率范围内的弹性波在不同方向上的传播。

进一步的，散体颗粒群由直径为5mm和4mm的两种304不锈钢质颗粒组成，散体颗粒群的弹性模量参数E＝195GPa，密度为ρ＝7930kg/m³，泊松比为ν＝0.25。

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，第一克服了传统声子晶体隔振器工作范围窄的缺点，本发明可在1516Hz～2322Hz的较宽范围内抑制能量传播；第二本发明装置为三维隔振装置，可在多个方向控制弹性波的传播，相较于一维的声子晶体隔振装置实用性更强；第三传统声子晶体只在高频处隔振效果明显，在低频处的隔振效果一般，随着颗粒阻尼器的引入，解决了这一缺陷，在低频率范围内散体颗粒群通过碰撞以及摩擦很好的耗散振动结构的能量，在高频率范围内，颗粒阻尼器还可以强化这种衰减效果。

2.本发明装置较传统的颗粒阻尼器相比，一方面，结合了声子晶体带隙特性，在1516Hz～2322Hz的较宽范围内可以很好的抑制能量的传播；另一方面，散体颗粒群有两种不同直径的颗粒小球组成，在增加摩擦接触面积，提高耗能效率的同事，严格控制了散体颗粒群的总质量，有效的减少了碰撞时产生的噪声。

3.本发明的隔振降噪装置采用多孔周期结构，整体质量轻，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具有颗粒阻尼特性的三维声子晶体隔振装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的颗粒阻尼器的结构示意图。

图3a为内置颗粒阻尼器的简单体心立方结构，图3b为不放置散体颗粒群的立方体结构。

图4为本发明实施例提供的隔振装置的其中一层的俯视图。

图5a和图5b为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在1516Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图5a表示阻尼器空腔内无颗粒群的情况，而图5b表示阻尼器空腔内加入颗粒群的情况。

图6a和图6b为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在1893Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图6a表示阻尼器空腔内无颗粒群的情况，而图6b表示阻尼器空腔内加入颗粒群的情况。

图7a和图7b为本发明实施例提供的颗粒阻尼器在2322Hz时，激励端与接收端信号的响应图，图7a表示阻尼器空腔内无颗粒群的情况，而图7b表示阻尼器空腔内加入颗粒群的情况。

附图标记：1-三维声子晶体，2-空心小立方箱体，3-散体颗粒群，4-颗粒阻尼器，5-体心立方结构，6-小立方体结构

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。

多孔的周期性点阵材料，是一种本身就具备特殊的声学性能以及带隙特性的结构型材料，研究该材料中的弹性波的传播行为规律，会给多领域方向上的减振降噪带来意想不到的效果。一方面，点阵材料具有质量轻、强度高、多孔吸声吸能等多种优势，特别是可在空隙内可以填充功能性材料，以便进行结构功能的一体化设计；另一方面，周期性点阵材料具备带隙特性，特定频率范围内禁止弹性波的传播。结合以上两方面的优势，本发明实施例提出了一种具有颗粒阻尼特性的三维声子晶体隔振装置，本发明装置外形为立方体结构，内部为周期性点阵，在点阵空隙内按简单体心立方规律放置散体颗粒群，构成颗粒阻尼器。

基于颗粒阻尼器周期性放置，因此本发明装置具备带隙特性。当外部激振频率处在通带范围内时，弹性波虽然可以在结构内传播，但是此时颗粒阻尼器内的散体颗粒群会通过碰撞摩擦来耗散主体结构的能量，多孔的点阵结构也会吸收一部分噪声以及能量；当外部激振频率范围处在带隙范围内时，弹性波则被禁止在结构内传播，抑制能量的传递，再结合颗粒阻尼器对能量的耗散，以及多孔结构的吸声吸能特性，便会强化能量的衰减效果，且本发明装置为三维隔振装置，不受振动方向的限制，可实现对多方向振动的约束。

本发明实施例提供的一种具有颗粒阻尼特性的三维声子晶体隔振装置，所采用的方案是，在某一方向上，从装置的I处施加稳态激励，分别测试了多个频率点的、有无加入散体颗粒群情况下的响应图，在装置的O处接收激励信号，进而通过相应的软件对收集到信号进行处理，以便观察。

本发明实施例提供的一种具有颗粒阻尼特性的三维声子晶体隔振装置，结构示意图如图1所示，包括三维声子晶体1、散体颗粒群3、颗粒阻尼器4、缓冲材料。将散体颗粒群3放置到空心小立方箱体2内构成颗粒阻尼器4，将空心小立方箱体2和颗粒阻尼器4按简单体心立方排列，构成一个36*36*36mm的简单体心立方体结构5，将空心小立方箱体2按一定的方式组成36*36*36mm小立方体结构6，最后将简单体心立方体结构5和小立方体结构6按一定周期顺序排列构成三维声子晶体1。散体颗粒群3为两种不同尺寸的304不锈钢小球组成；缓冲材料为橡胶垫，放置于隔振装置和振源之间，用于减少碰撞产生的噪生。

图2为本发明实施例提供的颗粒阻尼器的结构示意图。颗粒阻尼器的腔体为高韧性树脂材料构成，尺寸为12*12*12mm的立方体，内置散体颗粒群，所述的散体颗粒群由两种直径为5mm和4mm的304不锈钢颗粒小球组成，弹性模量E＝193Gpa，泊松比ν为0.25，密度ρ为7930kg/m3，通过散体颗粒群之间的碰撞、散体颗粒群与颗粒阻尼器腔体的碰撞来耗散结构的动能。

图3a和图3b为本发明实施例提供的构成三维声子晶体的两个立方体结构示意图。图3a为内置颗粒阻尼器的体心立方结构，尺寸为36*36*36mm；图3b为由颗粒阻尼器腔体构成的小立方体结构，尺寸为36*36*36mm。两种结构按一定的顺序周期排列，共同构成三维声子晶体结构。三维声子晶体的弹性模量参数为E＝2.65GPa，密度ρ＝1350kg/m3，泊松比为ν＝0.43。

图4为本发明实施例提供的隔振装置的其中一层的俯视图。所述的隔振装置主体采用高韧性树脂材料。

上述实施例中涉及的一种具有颗粒阻尼特性的三维声子晶体隔振装置的工作原理如下：

在实际工程中，机械或结构的振动噪声问题已经成为一个凸显的问题，大多数的振动会使仪器的精度下降，寿命缩短，严重的还会污染环境，甚至会造成灾难性的后果。目前，最根本的减振降噪方法就是隔离振源和受影响结构之间的联系和能量传输。本发明提供了一种具有颗粒阻尼特性的三维周期性点阵隔振装置，主体结构为轻质多孔立方体结构，内置颗粒阻尼器，多孔结构质量轻，强度高且具备良好的吸声吸能特性，另一方面该结构是有多个相同弹性材料组成的周期结构，存在带隙，在一定的频率范围内会禁止弹性波的传播，在隔振降噪领域具有重要的作用。本发明在三维声子晶体内引入颗粒群阻尼技术，在带隙特性约束弹性波的同时，颗粒阻尼器也会耗散一部分动能，强化能量的衰减效果。

本发明实施例提供了某一方向上的，通带和禁带频率范围内的多个测量结果:

图5a和图5b为本发明实施例提供的外部激振频率为1516Hz时的实验响应图，分别测试了加入颗粒阻尼器前后的隔振响应结果。图5a为引入颗粒阻尼器前的响应图，从图中可以得到，激励端和接收端的加速度幅值基本一致，说明该频率处在三维声子晶体通带范围内，弹性波允许在结构内传播；图5b为加入颗粒阻尼器后的响应图，从图中可以得到，接收端的加速度幅值相比于图5a有了一定的衰减，因为散体颗粒群之间的碰撞摩擦耗散了一部分能量，导致接收端的信号幅值减小。

图6a和图6b为本发明实施例提供的外部激振频率为1893Hz时的实验响应图，分别测试了加入颗粒阻尼器前后的隔振响应结果。图6a为没有引入颗粒阻尼器时的响应图，如图所示，激励端的加速度幅值与接收端的基本一致，表明弹性波可以在声子晶体内传播；图6b为加入颗粒阻尼器后的响应图，可以发现接收端的加速度幅值基本为0，相较于激励端衰减很明显，表明该结构在该频率下时，可以很好的隔绝振源与受影响结构的联系以及能量传递。对比于图5a和图5b的结果，本发明可以在较宽的频率范围内工作，弥补了传统声子晶体隔振装置工作频率范围窄的不足。

图7a和图7b为本发明实施例提供的外部激振频率为2322Hz时的实验响应图，分别测试了加入颗粒阻尼器前后的隔振响应结果。图7a为没有引入颗粒阻尼器时的响应图，如图所示，激励端的加速度幅值远远大于接收端，可以证明该频率处在声子晶体带隙范围内，以至于弹性波禁止在声子晶体内传播；图7b为引入颗粒阻尼器时的响应图，从图中可以得到，激励端的加速度幅值要远远大于接收端，证明能量被本发明装置阻隔了，对比图7a与图7b接收端的信号幅值，可以发现图7b中的加速度幅值有了进一步的衰减，表明散体颗粒群之间的碰撞摩擦，以及散体颗粒群与阻尼器腔体间的碰撞摩擦消耗了一部分能量，颗粒阻尼器的引入强化了能量的衰减。

综上所述，本发明实施例的装置为了一种多孔的周期性点阵结构，该结构具有质量轻、强度高、吸声吸能等优势，在隔振降噪领域具有非常重要的作用。本发明提供的三维声子晶体可在多方向上控制弹性波的传播，克服了方向上的局限性，本发明还结合了颗粒阻尼器的优点，在多孔声子晶体的空隙内按一定的规律引入散体颗粒群，使结构依然具有周期性，散体颗粒群由两种不同直径的304不锈钢颗粒组成，直径不同的颗粒一方面可以增大接触面积，提高耗能效率，另一方面可以减少散体颗粒群的总质量，减少碰撞时产生的噪声，颗粒阻尼器的引入可以弥补声子晶体工作频率窄的不足，并且可以强化能量的衰减效果。

本发明的装置只测试了单一方向的、几个特定频率下的响应图，但是通过改变激励的方向以及调节激励的频率，可以得到多方向、不同频率范围内的信号衰减响应。

本装置主体结构为高韧性树脂立方体结构，结构与振源之间铺设缓冲材料，用来减少碰撞时产生的噪声。该装置为多孔周期结构，具有结构质量轻，强度高，吸声吸能的优势，且结构设计简单，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 (4)

1.一种具有颗粒阻尼特性的立体形式声子晶体隔振降噪装置，其特征在于，包括空心大立方箱体、空心小立方箱体、散体颗粒群、缓冲材料；所述空心小立方箱体内放置有所述散体颗粒群形成有所述颗粒阻尼器；所述空心小立方箱体与所述颗粒阻尼器按照体心立方排列构成体心立方体结构；所述空心小立方箱体通过排列组成小立方体结构，所述体心立方体结构与所述小立方体结构在所述空心大立方箱体内按周期顺序排列形成有三维声子晶体；空心大立方箱体表面设置有孔；所述缓冲材料粘接在空心大立方箱体的底部，用于减少振源与隔振装置碰撞产生的噪音。

2.根据权利要求1所述具有颗粒阻尼特性的立体形式声子晶体隔振降噪装置，其特征在于，所述空心大立方箱体、空心小立方箱体均采用树脂材料制成，三维声子晶体的弹性模量参数为E＝2.65GPa，密度为ρ＝1350kg/m³，泊松比为ν＝0.43。

3.根据权利要求1所述具有颗粒阻尼特性的立体形式声子晶体隔振降噪装置，其特征在于，所述的三维声子晶体结构存在不同方向带隙，通过带隙能够阻止在1516Hz～2322Hz的频率范围内弹性波在不同方向上的传播。

4.根据权利要求1所述具有颗粒阻尼特性的立体形式声子晶体隔振降噪装置，其特征在于，散体颗粒群由直径为5mm和4mm的两种304不锈钢质颗粒组成，散体颗粒群的弹性模量参数E＝195GPa，密度为ρ＝7930kg/m³，泊松比为ν＝0.25。

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