CN114044013B - 一种局域共振系统及减震降噪车体型材板件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局域共振系统及减震降噪车体型材板件，属于地铁降噪技术领域。局域共振系统包括上框架，其由环氧树脂制成，所述上框架内部形成有中空腔室；连接件，其由橡胶制成，所述连接件顶面固定连接于上框架底面；下框架，其由环氧树脂制成，所述下框架内部形成有中空腔室，所述下框架顶面固定连接于连接件底面。本发明通过框架和共振腔的配合，形成弹性波带隙阻止相对应频段的声振能量的传递，有效提高了中低频隔声性能，同时基于现有的铝型材板件去贴服固定局域共振系统，既能保证型材的高频隔声，又具备中低频隔声的能力，能满足现有列车车内噪声控制的需求，且不需要对整体结构进行大改，具有结构简单、设计合理、易于制造的优点。

Description

一种局域共振系统及减震降噪车体型材板件

技术领域

本发明属于地铁降噪技术领域，更具体地说，涉及一种局域共振系统及减震降噪车体型材板件。

背景技术

随着越来越多的城市开通地铁以及地铁运营时间的增加，随之相应的舒适性要求越来越高，运营周期内振动噪音问题也逐渐凸显。

地铁列车轮轨振动噪声、车上空调机组的振动噪声、车下辅助设备的振动噪声、列车进入隧道内产生的强混响噪声等声源和振源往车内传递形成车内声场，振动噪音过大会严重影响司乘人员身心健康以及在列车上的乘坐舒适程度，因此列车振动噪声控制己成为一个重点课题，地铁运营至今，随着较多减振降噪材料和结构的应用，车辆高频振动噪声得到有效的抑制，然而中低频噪声仍然较为显著，同时又有新一代地铁设计理念的提出，需要更高速度运营，更轻的车体结构，同时还要有更安静的车内噪声环境，应用声学超材料结构被认为是可以有效及解决上述问题的方式。

经检索，中国专利公开号：CN 112092844 A；公开日：2020年12月18日；公开了一种轻质宽温域层状约束阻尼降噪型材及制备方法，所述型材包括铝板或铝型材，在所述铝板或铝型材的上表面和下表面分别粘附有IIR/EP层状约束阻尼结构；所述层状约束阻尼结构包含N层，由IIR层和EP层构成，N为大于等于4的偶数。该申请案提出了一种实现结构轻量化的降噪设计，但对于地铁车辆运行时的中低频噪声问题仍无法有效解决。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种局域共振系统，包括：

上框架，其由环氧树脂制成，所述上框架内部形成有中空腔室；

连接件，其由橡胶制成，所述连接件顶面固定连接于上框架底面；

下框架，其由环氧树脂制成，所述下框架内部形成有中空腔室，所述下框架顶面固定连接于连接件底面。

根据本发明实施例的局域共振系统，可选地，

所述上框架的中空腔室内形成有隔板，将中空腔室分隔为共振腔一和共振腔二；

所述下框架内的中空腔室为共振腔三。

根据本发明实施例的局域共振系统，可选地，在上框架顶面贯穿开设圆孔一，所述圆孔一有两个，分别将共振腔一及共振腔二与外界连通。

根据本发明实施例的局域共振系统，可选地，所述圆孔一正对共振腔一或共振腔二的中心位置处。

根据本发明实施例的局域共振系统，可选地，所述连接件顶面贯穿开设圆孔二，所述圆孔二有两个，分别正对两个圆孔一。

根据本发明实施例的局域共振系统，可选地，所述下框架底面贯穿开设圆孔三，将共振腔三与外界连通。

根据本发明实施例的局域共振系统，可选地，所述圆孔三正对共振腔三中心处。

根据本发明实施例的局域共振系统，可选地，

所述圆孔一、圆孔二及圆孔三的半径均为0.2mm；

所述共振腔一和共振腔二均为呈长3.2mm，宽7.2mm，高1.6mm的长方体腔室；

所述共振腔三为呈长7.2mm，宽7.2mm，高1.6mm的长方体腔室。

根据本发明的另一方面，提供了一种减震降噪车体型材板件，基于本发明的局域共振系统，还包括：

车下支撑结构，其为铝型材板，其上表面固定设有若干局域共振系统。

根据本发明实施例的减震降噪车体型材板件，可选地，所述局域共振系统在车下支撑结构上表面按照平面两个维度方向均每隔20mm周期性的排布。

有益效果

相比于现有技术，本发明至少具备如下有益效果：

（1）本发明的局域共振系统，通过框架和共振腔的配合，形成弹性波带隙阻止相对应频段的声振能量的传递，有效提高了中低频隔声性能；

（2）本发明的减震降噪车体型材板件，基于现有的铝型材板件去贴服固定局域共振系统，加工简单方便，且不需要对整体结构进行大改；

（3）本发明的减震降噪车体型材板件，既能保证型材的高频隔声，又具备中低频隔声的能力，能满足现有列车车内噪声控制的需求；

（4）本发明的减震降噪车体型材板件，比同质量的传统材料具有更优异的性能，在材料轻质化的应用上大有前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了本发明的局域共振系统剖视图；

图2示出了本发明的局域共振系统仰视图；

图3示出了本发明的局域共振系统俯视图；

图4示出了本发明的局域共振系统的带隙构成；

图5示出了本发明的减震降噪车体型材板件应用于车体的示意图；

图6示出了本发明的减震降噪车体型材板件与普通铝型材的传声损失对比图；

附图标记：

1、上框架；10、隔板；11、圆孔一；100、共振腔一；101、共振腔二；

2、连接件；20、圆孔二；

3、下框架；30、圆孔三；300、共振腔三；

1000、车体；

1001、车下支撑结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

声学超材料源于局域共振型声子晶体：即利用软橡胶材料包裹高密度芯体构成局域共振子系统；在弹性介质中周期性排列局域共振子系统构成在亚波长频段存在弹性波带隙的人工周期结构，通过单元结构设计，可以比较自由地实现弹性波在特定范围的局域、反射、折射，甚至是弯曲传播的结构即可被称为声学超材料。

现有的轨道交通对声学超材料的应用中，往往尝试通过设计复杂的结构来实现低频隔声性能，但过于复杂的结构设计会导致加工效率低下和弹性波带隙过大的问题；或者尝试对轨道板进行改造，通过在上下两层铝板中嵌入铅块将轨道板改造成一个声学超材料板，通过基体铝板和嵌入的铅块形成局域共振效应来控制结构中传递的振动能量，这种方式受实际工程应用的限制，对材料和尺寸有特定要求，且这种方式会导致质量偏重，在一些有轻量化要求的结构上不宜采用；

针对上述问题，本发明提出了一种局域共振系统及减震降噪车体型材板件。

实施例1

本实施例的局域共振系统，如图1、图2和图3所示，自上而下依次包括上框架1、连接件2和下框架3，上框架1和下框架3均由环氧树脂材料构成，连接件2由橡胶材料构成，上框架1、连接件2和下框架3依次固定连接，更具体地说，上框架1与连接件2、连接件2与下框架3之间均热塑连接成一体。

本实施例中，上框架1内部形成中空腔室，中空腔室被隔板10分隔成两个形状相同的子腔室即共振腔一100和共振腔二101，进一步地，共振腔一100和共振腔二101均呈长方体形状，更具体地说，共振腔一100和共振腔二101均为呈长3.2mm，宽7.2mm，高1.6mm的长方体腔室，上框架1的壁厚为0.8mm，在上框架1顶面上对应两个共振腔中心位置处，贯穿开设两个圆孔一11，两个圆孔一11半径均为0.2mm，通过两个圆孔一11，分别将共振腔一100和共振腔二101与外界连通；连接件2的厚度为0.4mm，在连接件2顶面对应两个圆孔一11的位置处，开设两个圆孔二20，两个圆孔二20的半径均为0.2mm，通过两个圆孔二20，分别将共振腔一100和共振腔二101与共振腔三300连通；在下框架3内部形成中空腔室，中空腔室即为共振腔三300，共振腔三300呈长方体形状，更具体地说，共振腔三300为呈7.2mm，宽7.2mm，高1.6mm的长方体腔室，下框架3壁厚为0.8mm；由此构成了本实施例的局域共振系统。

本实施例的局域共振系统，采用三个共振腔结构，下层一个大共振腔，上层两个小共振腔，且各共振腔均通过软质材料连接，共同组成了一个局域共振单元，根据Floquet-Bloch周期性设置通过有限元法计算出局域共振系统的带隙，如图3所示，图3中的横坐标表示的是弹性波波矢K的值、纵坐标表示的是频率，由图3可知，本实施例中的局域共振系统存在多个完全带隙和弯曲波带隙，完全带隙范围可简化为62Hz~101Hz、弯曲波带隙范围可表示为62Hz~140Hz；在62Hz~101Hz频带范围内弹性波能量在弹性波波矢K的取值范围内弹性波无法在该频段内传递（弹性波波矢K的取值范围为不可约布里渊区即X→T→M，数值表示即为kx和ky分别取值从(-π)/0.02~π/0.02）；存在的低频弹性波带隙阻止了弹性波在这个频段的传递以得到更好的减振降噪性能；

由此，本实施例的局域共振系统的内部共振能阻止带隙频段的弹性波传播，达到了需求的减振降噪效果，且由于共振腔体的作用，对抑制其他非带隙范围内的振动与噪声也有着一定效果。

实施例2

本实施例的减震降噪车体型材板件，如图5所示，基于实施例1的局域共振系统，还包括车下支撑结构1001，其为铝型材板，其上表面固定设有若干局域共振系统，更具体地说，局域共振系统通过强力胶粘附的方式固定设于车下支撑架构1001的上表面。

车下支撑结构1001位于车体1000的下方，为铝型材板，其上方存在空隙，传统方式中有在其上方空隙中填充吸声材料来应对地铁列车振动噪声的问题，但效果不明显，本实施例采用实施例1的局域共振系统贴服于车下支撑结构1001顶面空隙处，能够有效的提高列车车体的减震降噪性能。

进一步地，本实施例中，局域共振系统在车下支撑结构1001上表面按照平面两个维度方向均每隔20mm周期性的排布，即沿车体宽度方向，车下支撑结构1001上表面每个20mm贴服一个局域共振系统，沿车体长度方向，车下支撑结构1001上表面每个20mm贴服一个局域共振系统，铺满车下支撑结构1001上表面。

本实施例基于车体1000下方的常见的铝型材结构，形成了声学超材料板件，该声学超材料板件包括本身车体的铝型材及附加的散射体共振腔，和以铝型材为基体承载附贴的局域共振系统的共振腔；声学超材料板件结构中所产生弹性波的阻断效果是本实施例隔声隔振的主要原因；而弹性波的阻断效果有两个因素构成：一是当弹性波传递到声学超材料板件中，利用上下框架中共振腔体中的软质材料、连接件2的软质材料和基体的铝型材三种不同的固体材料阻抗的差异，使弹性波的反射、折射在三种介质的某些频段之间产生抵消从而阻断弹性波的传递，在该频段形成了一个弹性波的传播禁带，这个频段被称为带隙；二是三个共振腔体的共振效果，结合共振腔体的共振效应和三种固体介质阻抗的差异产生的带隙共同对结构振动噪声进行有效控制。

进一步地，本实施例对声学超材料板和普通铝型材板进行传声损失计算，通过图4的传声损失图可以知道，本实施例的声学超材料型材板在两个完全带隙范围内都出现了明显的衰减，特别是低于140Hz的频段，传声损失相对于普通铝型材板有一个明显的提高。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种局域共振系统，其特征在于，包括：

上框架，其由环氧树脂制成，所述上框架内部形成有中空腔室；所述上框架的中空腔室内形成有隔板，将中空腔室分隔为共振腔一和共振腔二；

连接件，其由橡胶制成，所述连接件顶面固定连接于上框架底面；

下框架，其由环氧树脂制成，所述下框架内部形成有中空腔室，所述下框架顶面固定连接于连接件底面；所述下框架内的中空腔室为共振腔三；

在上框架顶面贯穿开设圆孔一，所述圆孔一有两个，分别将共振腔一及共振腔二与外界连通；

所述圆孔一正对共振腔一或共振腔二的中心位置处；

所述连接件顶面贯穿开设圆孔二，所述圆孔二有两个，分别正对两个圆孔一；

所述下框架底面贯穿开设圆孔三，将共振腔三与外界连通；

所述圆孔三正对共振腔三中心处。

2.根据权利要求1所述的一种局域共振系统，其特征在于：

所述圆孔一、圆孔二及圆孔三的半径均为0.2mm；

所述共振腔一和共振腔二均为呈长3.2mm，宽7.2mm，高1.6mm的长方体腔室；

所述共振腔三为呈长7.2mm，宽7.2mm，高1.6mm的长方体腔室。

3.一种减震降噪车体型材板件，其特征在于，基于权利要求2的局域共振系统，还包括：

车下支撑结构，其为铝型材板，其上表面固定设有若干局域共振系统。

4.根据权利要求3所述的减震降噪车体型材板件，其特征在于：所述局域共振系统在车下支撑结构上表面按照平面两个维度方向均每隔20mm周期性的排布。