CN114370474A - 一种用于结构的变频声子晶体抑振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于结构的变频声子晶体抑振装置，包括一阶弹性柱、一阶振子质量元件、二阶弹性柱、二阶振子质量元件、三阶弹性柱、三阶振子质量元件、弹性柱基座；所述一阶振子质量元件为框架结构，框架结构上对称设置有为其他阶振子提供结构支撑的弹性柱基座，一阶振子质量元件与一阶弹性柱固定连接；所述二阶弹性柱和三阶弹性柱分别安装于对应弹性柱基座上；所述二阶振子质量元件和三阶振子质量元件分别与二阶弹性柱和三阶弹性柱固定连接；所述二阶弹性柱和三阶弹性柱设置有用于控制二阶弹性柱及三阶弹性柱内的轴向拉力和压力的调节装置。本发明装置其抑振频率可进行相应调节，具有优良的多级线谱抑振效能，具有较广阔的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及舰船结构减振降噪技术，尤其涉及一种用于结构的变频声子晶体抑振装置。
背景技术
传统抑振降噪技术在经历了上世纪以来的飞速发展后已日趋成熟，其中具有代表性的动力吸振技术是机械工程问题中常用的抑振手段。当主体结构形式无法轻易改变时，或采用振动隔离、附加阻尼等手段的抑振效果不佳时，可采用动力吸振器有效抑制主系统的线谱振动。传统的动力吸振器根据振子阶数的差异，可分为单频吸振器和复式吸振器，其对结构的振动线谱有良好抑制效果，但存在吸振频带过窄，吸振效果有限等诸多缺点。近年来，随着周期禁带理论的发展与完善，基于局域共振原理的声子晶体抑振结构飞速发展，相较于传统动力吸振器。该类声子晶体具有多频、宽带、高效能的抑振效果，已逐渐被应用于各大工程领域。
对于火箭、舰艇等大型复杂系统而言，动力设备激发壳板结构的线谱振动是引起结构疲劳、开裂、破坏等一系列问题的重要原因，同时结构噪声也会使舰艇隐身性能减弱,增加其被暴露的风险，通常设计吸振器对此类振动进行抑制。但随着时间推移，设备老化、结构变形及附加结构等将导致系统的线谱特征发生变化，原本设计的动力吸振器将逐步失效，此时采用一种吸振频率灵活可变的声子晶体抑振装置是非常有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种用于结构的变频声子晶体抑振装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于结构的变频声子晶体抑振装置。
本发明提供的一种用于结构的变频声子晶体抑振装置，该结构关于中横及中纵面对称，包括一阶弹性柱、一阶振子质量元件、二阶弹性柱、二阶振子质量元件、三阶弹性柱、三阶振子质量元件、弹性柱基座、链条、二阶调节旋钮及三阶调节旋钮；
所述一阶振子质量元件为框架本体，框架本体上对称设置有为其他阶振子提供结构支撑的弹性柱基座，一阶振子质量元件与一阶弹性柱固定连接；
所述二阶弹性柱和三阶弹性柱分别安装于对应弹性柱基座上；
所述二阶振子质量元件和三阶振子质量元件分别与二阶弹性柱和三阶弹性柱固定连接；
所述二阶弹性柱和三阶弹性柱设置有用于控制二阶弹性柱及三阶弹性柱内的轴向拉力和压力的二阶调节旋钮及三阶调节旋钮。
按上述方案，所述用于控制二阶弹性柱及三阶弹性柱内的轴向拉力和压力的调节旋钮具体如下：
二阶弹性柱、三阶弹性柱对应的弹性柱基座内部包含螺杆机构，螺杆通过对应外部链条与对应二阶调节旋钮、三阶调节旋钮连接，通过调节二阶调节旋钮、三阶调节旋钮带动对应螺杆转动，控制二阶弹性柱及三阶弹性柱内的轴向拉力和压力。
按上述方案，各阶弹性柱的等效刚度根据设计频率由下式(1)进行确定
其中，K为各阶弹性柱的设计等效刚度，m为各阶振子质量，ω为设计吸振角频率，i(取1,2,3…)为所设计吸振频率阶数即振子阶数，j为各阶振子序号；
按上述方案，所述变频时，调节装置调节各弹性柱内所需的轴向拉力或压力由下式(2)(3)获得；
其中，T为轴向力，
为弹性柱等效刚度，
U＝L/J，L为弹性柱长度，E、I分别为杨氏模量与截面惯性矩。
按上述方案，各阶弹性柱和振子质量元件关于中横及中纵面对称。
按上述方案，所述变频声子晶体抑振装置还包括四阶弹性柱和与四阶弹性柱固连的四阶振子质量元件。
按上述方案，所述变频声子晶体抑振装置的安装间距根据空间及重量约束予以调整，使胞元重量比不高于25％。
所述变频声子晶体抑振装置安装在被控结构上时，安装间距越小抑振效果越好，但相应重量比会上升，其安装间距应根据空间及重量约束予以调整本发明产生的有益效果是：
1、本发明所设计的一种用于结构的变频声子晶体抑振装置，可针对各类振动基体的多级线谱特征进行抑振控制，且当被控结构由于局部老化、结构变形及新增附加结构等导致原系统的线谱特征发生变化时，变频声子晶体抑振装置其抑振频率可进行相应调节，避免重新设计及生产吸振器所带来的人力、物力损耗。
2、本发明所设计的变频声子晶体抑振装置基于弹性梁等效刚度原理并结合周期禁带理论，具有优良的多级线谱抑振效能，整套装置具有结构简单、体积小巧等特点，具有较广阔的工程应用前景。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的变频声子晶体抑振装置示意图；
图2为本发明实施例的各阶振子吸振工作状态示意图；
图3为本发明实施例的变频前晶体胞元能带结构图；
图4为本发明实施例的变频后晶体胞元能带结构图；
图5为本发明实施例的声子晶体调频抑振效果曲线。
图中，1-一阶弹性柱；2-一阶振子质量元件；3-二阶弹性柱；4-二阶振子质量元件；5-三阶弹性柱；6-三阶振子质量元件；7-弹性柱基座；8-链条；9-二阶调节旋钮；10-三阶调节旋钮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，如图1所示，本发明提供的一种用于结构的变频声子晶体抑振装置，该结构关于中横及中纵面对称，包括一阶弹性柱1、一阶振子质量元件2、二阶弹性柱3、二阶振子质量元件4、三阶弹性柱5、三阶振子质量元件6、弹性柱基座7、链条8、二阶调节旋钮9及三阶调节旋钮10；
本发明中的变频声子晶体抑振装置其抑振阶数选取但不限于三阶，振子尺寸、抑振频率、胞元晶格常数及周期排布方式可根据被控结构的需要进行设计，胞元重量比约为25％。二阶弹性柱3、三阶弹性柱5分别与二阶振子质量元件2、三阶振子质量元件6通过硫化、销接等方式固连。一阶振子质量元件2为框架式结构，其固连于一阶弹性柱1上，同时可为其他阶振子提供结构支撑。二阶弹性柱3、三阶弹性柱5分别安装于对应弹性柱基座7上，弹性柱基座7内部包含螺杆机构，螺杆通过对应外部链条8与对应二阶调节旋钮9、三阶调节旋钮10连接，调节旋钮表面包含轴向力刻度，通过调节二阶调节旋钮9、三阶调节旋钮10带动对应螺杆转动，可控制二阶弹性柱3及三阶弹性柱5内的轴向拉(压)力。
各阶弹性柱的等效刚度可根据设计频率由下式(1)进行计算
其中，K为各阶弹性柱的设计等效刚度，m为各阶振子质量，ω为设计角频率，i(取1,2,3…)为所设计吸振频率阶数即振子阶数，j取2,3…，为各阶振子编号。
变频时，各弹性柱内所需的轴向拉(压)力可由下式(2)(3)计算
其中，T为轴向力，
为弹性柱等效刚度，
U＝l/J，l为弹性柱长度，E、I分别为杨氏模量与截面惯性矩。
如图2至图5所示，假定将尺寸为1000mm×400mm×6mm的匀质板结构作为被控对象，在板右端输入振动能量，测得其平均振动频响曲线为图5中点线。若假定所设计吸振频率分别为29Hz、94Hz、197Hz(为体现一般性，并未完全针对各阶峰值进行设计)，此时将振子总尺寸设为40×mm×40mm×20mm，胞元晶格常数为100mm，选取一阶振子质量元件2、二阶振子质量元件4及三阶振子质量元件6的大小分别为40g、35g、25g。根据式(1)求得一阶弹性柱1、二阶弹性柱量3及三阶弹性柱5的等效刚度分别为km1＝3.95×104N/m、km2＝1.20×103N/m、km3＝1.25×104N/m。根据Bloch理论采用平面波展开法计算得到该胞元的能带结构曲线如图3所示，从图中可以看出该胞元在设计频率a、b、c即29Hz、94Hz、197Hz附近存在弹性波禁带，若将该抑振装置周期排布于被控匀质板上，由图2可看出各阶振子分别共振导致匀质板内的振动波受到阻滞无法传递。进一步计算得到采用抑振手段后薄板的振动频响曲线，如图5中短线所示，此时可见薄板在设计频率a、b及c处的振动能量下降，若被控结构在该位置存在共振峰，则该峰值响应将迅速衰减。
当设计频率即由a、b、c变化至A、B、C即29Hz、62Hz、170Hz时(假设被控结构阻抗特性发生变化，原有的部分共振峰偏移)，根据式(1)重新求得一阶弹性柱1、二阶弹性柱3及三阶弹性柱5的等效刚度分别为km1＝3.95×104N/m、km2＝1.20×103N/m、km3＝4.26×103N/m。此时二阶弹性柱3的等效刚度不发生变化，故该侧弹性柱无需施加轴向拉(压)力，而三阶弹性柱5的等效刚度变小，故需在该侧弹性柱施加轴向压力，根据式(3)可求得该压力为50N。采用该方法对此抑振装置进行调频处理后，计算得到变频后晶体胞元的能带结构曲线如图4所示，此时图中禁带区域明显发生变化。若同样将该抑振装置周期排布于被控匀质板上，得到调频抑振后薄板的振动频响曲线如图5中实线所示，此时被控结构在新的设计频率A、B及C处的振动能量下降，若被控结构的原始共振峰恰好偏移至此位置，则该峰值响应将依旧得到削减。
本发明提出的一种用于结构的变频声子晶体抑振装置，其具有结构简单、体积小巧等特点，可针对各类振动基体的多级线谱特征进行抑振控制，且当被控结构由于局部老化、结构变形及新增附加结构等导致原系统的线谱特征发生变化时，本发明中的变频声子晶体抑振装置其抑振频率可获得相应调节，避免重新设计及生产吸振器所带来的人力、物力损耗。上述技术特征表明本发明提出的一种用于结构的变频声子晶体抑振装置是一种适用于舰艇等结构线谱振动控制的有效装置。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于结构的变频声子晶体抑振装置，其特征在于，包括一阶弹性柱、一阶振子质量元件、二阶弹性柱、二阶振子质量元件、三阶弹性柱、三阶振子质量元件、弹性柱基座；
所述一阶振子质量元件为框架结构本体，框架结构上对称设置有为其他阶振子提供结构支撑的弹性柱基座，一阶振子质量元件与一阶弹性柱固定连接；
所述二阶弹性柱和三阶弹性柱分别安装于对应弹性柱基座上；
所述二阶振子质量元件和三阶振子质量元件分别与二阶弹性柱和三阶弹性柱固定连接；
所述二阶弹性柱和三阶弹性柱设置有用于控制二阶弹性柱及三阶弹性柱内的轴向拉力和压力的调节装置。
2.根据权利要求1所述的用于结构的变频声子晶体抑振装置，其特征在于，所述用于控制二阶弹性柱及三阶弹性柱内的轴向拉力和压力的调节装置具体如下：
二阶弹性柱、三阶弹性柱对应的弹性柱基座内部包含螺杆机构，螺杆通过对应外部链条与对应二阶调节旋钮、三阶调节旋钮连接，通过调节二阶调节旋钮、三阶调节旋钮带动对应螺杆转动，控制二阶弹性柱及三阶弹性柱内的轴向拉力和压力。
3.根据权利要求1所述的用于结构的变频声子晶体抑振装置，其特征在于，各阶弹性柱的等效刚度根据设计频率由下式(1)进行确定
其中，K为各阶弹性柱的设计等效刚度，m为各阶振子质量，ω为设计吸振角频率，i为所设计吸振频率阶数即振子阶数，j为各阶振子序号。
4.根据权利要求3所述的用于结构的变频声子晶体抑振装置，其特征在于，所述变频时，调节装置调节各弹性柱内所需的轴向拉力或压力由下式获得；
其中，T为轴向力，
为弹性柱等效刚度，
U＝L/J，L为弹性柱长度，E、I分别为杨氏模量与截面惯性矩。
5.根据权利要求1所述的用于结构的变频声子晶体抑振装置，其特征在于，各阶弹性柱和振子质量元件关于中横及中纵面对称。
6.根据权利要求1所述的用于结构的变频声子晶体抑振装置，其特征在于，所述变频声子晶体抑振装置还包括四阶弹性柱和与四阶弹性柱固连的四阶振子质量元件。
7.根据权利要求1所述的用于结构的变频声子晶体抑振装置，其特征在于，所述变频声子晶体抑振装置的安装间距根据空间及重量约束进行设置，使胞元重量比不高于25％。
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