CN113606274A - 一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阻尼减振降噪技术领域，具体公开了一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，包括基体、安装在基体表面的阻尼件，所述阻尼件包括呈周期性分布在基体表面的若干个多自由度局域共振阻尼单元组；每个所述多自由度局域共振阻尼单元组包括若干个多自由度局域共振阻尼单元。本发明适用于板状、壳状等结构，能够在更低、更宽频段实现更高效的阻尼减振。

Description

一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构

技术领域

本发明涉及阻尼减振降噪技术领域，更具体地讲，涉及一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构。

背景技术

板壳类结构在飞行器、舰船、列车、汽车等运载工具中大量应用，其声学特性对内部噪声环境具有直接影响，同时，在相关装备运行中承受复杂载荷所引起的强振动会引起其自身疲劳失效，进而降低结构寿命并可能引发安全问题。相应的，发展板壳类结构振动抑制技术具有重要积极意义，而阻尼减振正是其中一项受到广泛关注的技术方案。

通常，阻尼减振设计可分为离散阻尼与连续阻尼，其中，前者主要是各类阻尼器，后者包括自由阻尼和约束阻尼。常见的共振式阻尼器通常由弹性阻尼材料单元与硬材料质量单元构成，主要基于有阻尼单自由度共振式吸振器设计思想，应用于板类结构时，通常安装于振动较强的位置，其主要不足在于低频作用频带较窄、安装位置选择要求较高；自由阻尼通过在基体表面大面积贴覆阻尼材料来实现，操作简单，但效果通常相对较弱，尤其是对低频；约束阻尼是在自由阻尼外表面再增加一层约束层，使阻尼层剪切变形增大，消耗更多的能量。

近些年声学超材料研究受到了广泛关注，这一思想也被引入了板结构减振降噪设计。一种典型的超材料型板结构是在基体表面周期性安装由软材料单元和硬材料单元构成的双组元局域共振单元(通常可简化为弹簧-振子结构)。通常，基于这一设计思想的研究中，主要通过双组元局域共振单元的质量放大效应、负质量效应，以及周期性安装所产生的波传播调制作用来进行振动传递等的抑制，而对阻尼的设计关注较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构；能够在更低、更宽频段、更加高效的实现阻尼减振。

本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，包括基体、安装在基体表面的阻尼件，所述阻尼件包括呈周期性分布在基体表面的若干个多自由度局域共振阻尼单元组；每个所述多自由度局域共振阻尼单元组包括若干个多自由度局域共振阻尼单元。

通过设置若干个多自由度局域共振阻尼单元组，在预期减振频段产生更多可以发挥突出阻尼减振效果的共振模式；若干个多自由度局域共振阻尼单元组在预期减振频段产生足够的共振模式，并将不同类型的共振模式的反作用力有效传导到基体，还能实现能量的有效吸收与耗散。

本发明通过在基体表面安装若干个多自由度局域共振阻尼单元，同时利用禁带效应、阻尼效应、多自由度局域共振效应以及拉压/剪切变形放大效应，可以使低频、宽频减振降噪效果得到显著提高。

在一些可能的实施方式中，当阻尼件包括多个多自由度局域共振阻尼单元组时，不同的多自由度局域共振阻尼单元组采用相同和/或不同的阻尼材料制成。

在一些可能的实施方式中，所述多自由度局域共振阻尼单元包括安装在基体表面的颈部结构单元。

在一些可能的实施方式中，所述多自由度局域共振阻尼单元还包括安装在颈部结构单元远离基体一侧的振动单元。

在一些可能的实施方式中，所述振动单元呈圆盘状、方盘状、十字状、Y型结构中的任一种。

在一些可能的实施方式中，所述颈部结构单元呈短柱状。

在一些可能的实施方式中，每个所述多自由度局域共振阻尼单元组包括若干个多自由度局域共振阻尼单元；所述多自由度局域共振阻尼单元采用参数相同或不同的阻尼材料制成。

在一些可能的实施方式中，当采用颈部结构单元与振动单元组合作为多自由度局域共振阻尼单元时，所述颈部结构单元采用金属材料制成，所述振动单元采用阻尼材料制成。

在一些可能的实施方式中，所述阻尼件安装在基体的一侧或两侧。

在一些可能的实施方式中，所述基体为板状结构、壳状结构中的任意一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

一方面，本发明通过每个多自由度局域共振阻尼单元产生纵向振动、弯曲振动、剪切振动等多种振动模式，以及在主要作用频段内产生多个共振响应，实现阻尼效应的显著放大；

另一方面，上述振动响应在发生的过程中，也会产生不同类型的对基体的反作用力，从而实现对多自由度局域共振阻尼单元安装位置的基体不同自由度振动响应的抑制，并通过基体自身的传递，将抑制作用传递到整个基体，同时，采用周期性分布或失谐周期性分布所产生的弹性波调制作用，会产生弹性波禁带，也会使振动响应在相应频段得到显著抑制。

附图说明

图1为本发明中实施例1的轴视图；

图2为本发明中实施例1的俯视图；

图3为本发明中实施例1的剖视图；

图4为图3中A处的放大示意图；

图5为本发明中实施例2的轴视图；

图6为本发明中实施例2的俯视图；

图7为本发明中实施例2的剖视图；

图8为图7中B处的放大示意图；

图9为本发明中实施例3的轴视图；

图10为本发明中实施例3的俯视图；

图11为本发明中实施例3的剖视图；

图12为本发明中实施例4的轴视图；

图13为本发明中实施例4的侧视图；

其中：1、基体；2、多自由度局域共振阻尼单元；21、颈部结构单元；22、振动单元；3、安装框架。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语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设备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。

在本发明的附图中，需要理解的是，不具有相互替代性的不同技术特征显示在同一附图，仅是为了便于简化附图说明及减少附图数量，而不是指示或暗示参照所述附图进行描述的实施例包含所述附图中的所有技术特征，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明进行详细说明。

如图1-图11所示：

一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，包括基体1、安装在基体1表面的阻尼件，所述阻尼件包括呈周期性分布在基体1表面的若干个多自由度局域共振阻尼单元组。

通过设置若干个多自由度局域共振阻尼单元组，在预期减振频段产生更多可以发挥突出阻尼减振效果的共振模式；若干个多自由度局域共振阻尼单元组在预期减振频段产生足够的共振模式，并通过将不同类型的共振模式的反作用力有效传导到基体1，并实现能量的有效吸收与耗散。

本发明通过在基体1表面安装若干个多自由度局域共振阻尼单元组，同时利用禁带效应、阻尼效应、多自由度局域共振效应以及拉压/剪切变形放大效应，可以使低频、宽频减振降噪效果得到显著提高。

在一些可能的实施方式中，为了使得共振模式更加丰富，满足使用需要，当阻尼件包括多个多自由度局域共振阻尼单元组时，不同的多自由度局域共振阻尼单元组采用相同和/或不同的阻尼材料制成。

优选的，多自由度局域共振阻尼单元可采用橡胶材料、硅胶材料、泡沫材料制成。

在一些可能的实施方式中，所述多自由度局域共振阻尼单元2包括安装在基体1表面的颈部结构单元21；

优选的，如图9所示，当颈部结构单元21作为多自由度局域共振阻尼单元2时，其采用阻尼材料制成。

在一些可能的实施方式中，所述多自由度局域共振阻尼单元2还包括安装在颈部结构单元21远离基体1一侧的振动单元22。

在一些可能的实施方式中，所述振动单元22呈圆盘状、方盘状、十字状、Y型结构中的任一种。

在一些可能的实施方式中，所述颈部结构单元21呈短柱状。短柱状可以为方柱状、圆柱状、弧形短柱等等形式。

在一些可能的实施方式中，每个所述多自由度局域共振阻尼单元组包括若干个多自由度局域共振阻尼单元2；每个所述多自由度局域共振阻尼单元组中若干个多自由度局域共振阻尼单元2采用参数相同或不同的阻尼材料制成。

这里所描述的参数相同或不同的阻尼材料制成可以为两种参数不同的阻尼材料，也可以为一种参数的阻尼材料；如：当阻尼材料为橡胶时，可以为两种参数不同的橡胶；也可以为一种参数的橡胶；

在一些可能的实施方式中，当采用颈部结构单元与振动单元组合作为多自由度局域共振阻尼单元2时，所述颈部结构单元21采用金属材料制成，所述振动单元22采用阻尼材料制成；优选的，此时颈部结构单元21呈金属垫圈状。

在一些可能的实施方式中，所述阻尼件安装在基体1的一侧或两侧。

在一些可能的实施方式中，所述基体1为板状结构、壳状结构中的任意一种。

板状结构可以为单层板、夹层板、多层板；

在一些可能的实施方式中，所述阻尼件与基体1表面可采用粘接、螺纹连接等方式实现连接。

本发明通过每个多自由度局域共振阻尼单元2产生纵向振动、弯曲振动、剪切振动等多种振动模式，以及在主要作用频段内产生多个共振响应，实现阻尼效应的显著放大；另一方面，上述振动响应在发生的过程中，也会产生不同类型的对基体1的反作用力，从而实现对多自由度局域共振阻尼单元2安装位置的基体1不同自由度振动响应的抑制，并通过基体1自身的传递，将抑制作用传递到整个基体1，同时，采用周期性分布所产生的弹性波调制作用，会产生弹性波禁带，也会使振动响应在相应频段得到显著抑制。

在工作过程中，当基体1发生振动时，将同时引起多自由度局域共振阻尼单元2的振动；

一方面，可以类似于附加双组元局域共振单元的声学超材料，产生弹性波禁带，使相应频段的振动传递得到显著抑制；

另一方面，可以产生类似于阻尼器的阻尼效应，但由于本发明所采用的多自由度局域共振设计，可以产生纵向振动、弯曲振动、剪切振动等不同的共振模式，并且可以在更宽的频段内存在更密集的共振频率分布，从而，可以基于共振效应使阻尼效果得到显著增强。

此外，相对于传统的共振式阻尼器，其周期性分布设计，在产生弹性波禁带之外，还更有利于在宽频段产生全局性减振效果。

在实际应用中，可根据具体减振需求，对多自由度局域共振阻尼单元2的材料参数与结构尺寸进行综合设计，本发明通过多自由度局域共振阻尼单元2在预期减振频段产生足够的共振模式，并通过颈部结构单元21将不同类型的共振模式的反作用力有效传导到基体1，并实现能量的有效吸收与耗散；在实现高效减振的同时，对降低中低频段噪声辐射也有良好的效果，只是同时需注意强阻尼所产生的对声辐射效率的影响。

实施例1：

如图1-图4所示，

在本实施例中，多自由度局域共振阻尼单元2包括呈圆柱状的颈部结构单元21和安装在颈部结构单元21上呈圆盘状的振动单元22，其通过粘贴的方式安装在基体1的一侧表面上；

优选的，振动单元22的直径大于等于的颈部结构单元的直径。

在实际中，可以以采用不同材料/不同几何参数的多个多自由度局域共振阻尼单元2为一组，进而以组为单位，在基体1表面进行周期性分布。

本实施例中的多自由度局域共振阻尼单元2采用单一系数的阻尼材料制成；

对于需要引入更丰富的共振模式的情况，可以采用两组或者多组参数设置的多自由度局域共振阻尼单元2。

实施例2：

如图5-图8所示，

在本实施例中，多自由度局域共振阻尼单元2包括呈方柱状的颈部结构单元21、安装在颈部结构单元21上且呈十字状的振动单元22；

采用本实施例的设置方式，可以在同等材料用量下，使单一方向的尺寸增加，产生更多的中低频模态，进而使相应频段的减振效果得到进一步改善。

实施例3：

如图9-图11所示，

相比实施例1和实施例2，多自由度局域共振阻尼单元2为短柱状结构；该设置方式仅占用很少的平行于基体1表面的空间，但在垂直于基体1表面的空间，其具有更大的尺寸，采用阻尼材料制成。

在实际应用中，考虑到基体1结构外侧可能安装有其他设备，进而不能完全保证阻尼单元为直线结构，此时，可以采用带有一定弯曲设计甚至异形设计的阻尼单元，如弧形短柱。

实施例4：

如图12、图13所示，本实施例为本发明中实施例1的一种使用方式，将实施例1中的结构安装在安装框架3上，如图中所示的C型加筋；多自由度局域共振阻尼单元2位于基体1、两个C型加筋所形成的腔室内。

在实施例1-实施例4中，多自由度局域共振阻尼单元2均布置于基体1的单侧表面，但应用中根据具体情况，也可以在基体1两侧均布置；多自由度局域共振阻尼单元2的截面形状也不限于图中已经给出的圆形与方形，可以采用各种不同的形状；

基体1结构形式，除如图1-图13中所示的单层板结构以外，可以为夹层板结构、层合板结构等。甚至于，对多自由度局域共振阻尼单元2的布置，由于安装等限制，可以不要求进行严格的周期性分布，即：失谐周期性分布，只要具有一定的分布密度，就可以达到良好的板结构的全局性减振效果。

实施例5：

如图1-图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，颈部结构单元21采用金属材料制成，且呈金属垫圈状，与基体1之间可采用螺栓连接，振动单元22安装在颈部结构单元21远离基体1的一侧，振动单元22采用阻尼材料制成。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，包括基体、安装在基体表面的阻尼件，所述阻尼件包括呈周期性分布在基体表面的若干个多自由度局域共振阻尼单元组；每个所述多自由度局域共振阻尼单元组包括若干个多自由度局域共振阻尼单元。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，当阻尼件包括多个多自由度局域共振阻尼单元组时，不同的多自由度局域共振阻尼单元组采用相同和/或不同的阻尼材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述多自由度局域共振阻尼单元包括安装在基体表面的颈部结构单元。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述多自由度局域共振阻尼单元还包括安装在颈部结构单元远离基体一侧的振动单元。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述振动单元呈圆盘状、方盘状、十字状、Y型结构中的任一种。

6.根据权利要求4所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述颈部结构单元呈短柱状。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述多自由度局域共振阻尼单元采用参数相同或不同的阻尼材料制成。

8.根据权利要求4-6任一项所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述颈部结构单元采用金属材料制成，所述振动单元采用阻尼材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述阻尼件安装在基体的一侧或两侧。

10.根据权利要求9所述的一种多自由度局域共振型超阻尼复合结构，其特征在于，所述基体为板状结构、壳体结构中的任意一种。

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