CN114526308A - 一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构 - Google Patents

一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，包括基板，所述基板上周期性排布设置有若干组颗粒阻尼机构，所述颗粒阻尼机构包括壳体和颗粒阻尼器，其特征在于，所述颗粒阻尼器的上下两侧各连接设置有一个与壳体相连接的弹簧，所述颗粒阻尼器通过两个弹簧与壳体弹性连接，所述壳体的底部与基板螺纹连接。本发明通过两个弹簧将颗粒阻尼器与壳体弹性连接，使得颗粒阻尼器改变了传统的连接方式，从而使颗粒阻尼器具备了极宽的带隙特性及中、低减振的特性，再利用弹簧的弹性作用，使得颗粒阻尼器中颗粒碰撞能够保持平衡，大幅度地减小了噪声，提升了低频减振的效果，满足了声子晶体减振降噪的要求。

Description

一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构
技术领域
本发明属于减振降噪处理技术领域，具体涉及一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构。
背景技术
颗粒阻尼器最早运用于齿轮减振，在齿轮内部设计凹槽，凹槽内部填充颗粒发挥减振作用。目前大多采用外挂式颗粒阻尼器，将颗粒阻尼刚性连接到被减振结构上，虽能保证结构的完整性，但低频减振效果较差，安全性和耐久性也较差。
目前采用两级弹簧频率的合理搭配来使减振频带大大拓宽，但此结构只适用于土木结构振动控制，并不适用于声子晶体的减振降噪处理。如中国专利授权公告号CN106337594A，公开日2017年01月18日，公开了多级弹簧颗粒阻尼器，文中提出“包括阻尼器外腔体、阻尼器内腔体、内腔体弹簧装置、外腔体弹簧装置、颗粒群、定向轮、滑槽、缓冲材料和固定结构”，此现有技术的阻尼器通过内外腔体两级弹簧频率的合理搭配，使得减振频带更宽，但此现有技术只适用于现代土建工程的需求，不适用于声子晶体减振降噪的要求。
现阶段已有通过橡胶将阻尼器规律地分布设置在基板上，虽能使阻尼器满足于声子晶体减振降噪的要求，但由于橡胶减振频带较窄，使得声子晶体的颗粒阻尼器中颗粒碰撞噪声较大，导致低频减振效果不佳，从而影响到声子晶体的振动传递。如中国专利文献公告号CN112013066A，公开日2020年12月01日，公开了复合阻尼型动力吸振器低频减振结构，文中提出“包括基体，所述基体需减振位置上的一面设有多个粒子阻尼器，所述粒子阻尼器和基体之间设有橡胶隔层；所述橡胶隔层与粒子阻尼器的底面大小相同，其橡胶刚度在1.175e5～2e6之间。”此现有技术的粒子阻尼器是直接通过橡胶和基体相连，虽改变了粒子阻尼器的连接方式，但此现有技术的橡胶减振频带较窄，使得粒子阻尼器的带隙特性较窄，其次橡胶无法平衡粒子阻尼器中颗粒的碰撞，使得噪声较大，无法保证低频减振的效果，使得声子晶体的振动传递较大，其抗低温和抗高温的变化能力较弱，材料性质变化明显，导致使用寿命较短。
又如中国专利授权公告号CN209469745U，公开日2019年10月08日，公开了粒子耗能阻尼器，文中提出“包括用于安装在待减振结构的振动传递路径上的容纳壳体，及内置于所述容纳壳体内的形成粒子介质接触应力网络的若干粒子；在所述振动的作用下可引起所述粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动；所述容纳壳体固定安装在所述待减振结构的最大位移处或者最大模态灵敏度位置。”此现有技术是通过将粒子介质的动力学状态变化机理引入到降冲击装置的结构设计中，以达到可靠的减振目标，虽能使适应性达到较佳的水平，但现有技术是将粒子耗能阻尼器直接刚性连接到被减振结构上，使得粒子耗能阻尼器的振动会被放大，从而使得粒子耗能阻尼器的低频减效果较差，无法满足声子晶体减振降噪的要求。
综上所述，现阶段声子晶体的低频减振结构存在减振频带较窄的问题，使得带隙特性较窄，其次无法平衡阻尼器中颗粒的碰撞，使得噪声较大，导致低频减振效果不佳，从而影响到声子晶体的振动传递。为此，需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，以解决上述背景技术中提出的现阶段声子晶体低频减振结构的减振频带窄，噪声较大，低频减振效果不佳的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，包括基板，所述基板上规律排布设置有若干组颗粒阻尼机构，所述颗粒阻尼机构包括壳体和颗粒阻尼器，其特征在于，所述颗粒阻尼器的上下两侧各连接设置有一个与壳体相连接的弹簧，所述颗粒阻尼器通过两个弹簧与壳体弹性连接，所述壳体的底部与基板螺纹连接。
进一步的，两个所述弹簧设置为弹簧A和弹簧B，所述弹簧A和弹簧B相对设置在颗粒阻尼器的两侧所述弹簧A与弹簧B的结构相同，所述弹簧A和弹簧B的刚度范围均为10000～50000N/M。
进一步的，所述弹簧A的上端与壳体的顶部固定连接，所述弹簧B的上端与颗粒阻尼器的下端固定连接，所述弹簧A的下端与颗粒阻尼器的上端固定连接，所述弹簧B的下端与壳体的顶部固定连接。
进一步的，所述颗粒阻尼器通过弹簧A和弹簧B设置在壳体的内部中间位置。
进一步的，所述颗粒阻尼器与壳体均采用钢材质制作，所述颗粒阻尼器与壳体均设置呈圆柱形结构，圆柱形所述颗粒阻尼器内直径小于与圆柱形壳体的内直径，圆柱形所述壳体的内直径d1设置为1～2H，圆柱形所述颗粒阻尼器的内直径d2设置为d1-10mm，圆柱形所述壳体的内腔与圆柱形颗粒阻尼器的内腔的高度比为2～3：1，圆柱形所述壳体的内腔高H1设置为50mm～100mm，圆柱形所述颗粒阻尼器的内腔高H2设置为1/3～1/2 H1，圆柱形所述壳体和圆柱形所述颗粒阻尼器的厚度设置均为2～3mm。
进一步的，圆柱形所述颗粒阻尼器的内部封闭设置有阻尼颗粒，所述阻尼颗粒填充率为80％，所述阻尼颗粒直径d为1～10mm，级配或非级配；阻尼颗粒的材质设置为铁基颗粒或钨基颗粒、铅颗粒、且恢复系数e为0.1～0.9。
进一步的，所述颗粒阻尼器通过壳体对称式周期性的设置在基板的模态共振点处，整体结构呈现对称性和周期性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过两个弹簧将颗粒阻尼器与壳体弹性连接，使得颗粒阻尼器改变了传统的连接方式，从而使颗粒阻尼器具备了极宽的带隙特性及中、低减振的特性，大幅度地提升了颗粒阻尼器的安全性和耐久性，再利用弹簧的弹性作用，使得颗粒阻尼器中颗粒碰撞能够保持平衡，大幅度地减小了噪声，提升了低频减振的效果，使得颗粒阻尼器具备了低振动传递、低噪声辐射特、低频隔振的特点，从而保证了声子晶体具有良好的隔振效果，且对工作环境适应性强，使用寿命得到了有效提升，同时也对主动隔振、被动隔振、冲击振动和固体传声的隔离都具有明显的效果，荷载范围较广，适应性强。
2.本发明采用相对设置的弹簧A和弹簧B，能够有效抑制颗粒阻尼器的振动频率和幅度，从而使得颗粒阻尼器具备了优良的高刚度低振动噪声传递的特点，同时也有效地提升颗粒阻尼器的缓冲性和复位性，大幅度地提升了颗粒阻尼器的安全性和耐久性，延长了颗粒阻尼器的使用寿命。
3.本发明采用结构材质相等、内直径及内腔高度不相等的颗粒阻尼器和壳体，使得壳体能够持久地与基板发生共振，从而使颗粒阻尼器具备了极宽的带隙特性及中、低减振的特性，再利用弹簧A和弹簧B的频率合理搭配，使得颗粒阻尼器中颗粒碰撞能够始终保持平衡，大幅度地减小了噪声，提升了低频减振的效果，使得颗粒阻尼器具备了低振动传递、低噪声辐射特、低频隔振的特点，满足了声子晶体减振降噪的要求。
附图说明
图1为本发明的颗粒阻尼机构剖面结构示意图；
图2为本发明的基板整体结构示意图；
图3为本发明的实验原理结构示意图；
图4为本发明的实验数据对比效果示意图。
其中：1、基板；2、颗粒阻尼机构；3、壳体；4、颗粒阻尼器；5、弹簧；501、弹簧A；502、弹簧B；6、阻尼颗粒；7、扫频信号发生器；8、功率放大器；9、激振器；10、加速度传感器；11、测试分析系统。
具体实施方式
以下实施例用来进一步说明本发明的内容，并不限制本发明的应用。
如图1-图2所示，一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，包括基板1，基板1上规律排布设置有若干组用于低频降振的颗粒阻尼机构2，颗粒阻尼机构2包括壳体3和颗粒阻尼器4，颗粒阻尼器4的上下两侧各连接设置有一个用于配合壳体3缓冲和复位颗粒阻尼器4的弹簧5，颗粒阻尼器4通过两个弹簧5与壳体3弹性连接，壳体3的底部与基板1螺纹连接。
如图1所示，两个弹簧5设置为弹簧A501和弹簧B502，弹簧A501通过颗粒阻尼器4与弹簧B502相对设置，弹簧A501与弹簧B502的结构相同，弹簧A501和弹簧B502的刚度范围均为10000～50000N/M；
颗粒阻尼器4通过弹簧A501和弹簧B502设置在壳体3的内部中间位置，颗粒阻尼器4的内部封闭设置有阻尼颗粒6，阻尼颗粒6的填充率为80％，所述阻尼颗粒6的直径d为1～10mm，级配或非级配；阻尼颗粒6的材质设置为铁基颗粒或钨基颗粒、铅颗粒、且恢复系数e为0.1～0.9；
弹簧A501的上端与壳体3的顶部固定连接，弹簧A501的下端与颗粒阻尼器4的上端固定连接，弹簧B502的上端与颗粒阻尼器4的下端固定连接，弹簧B502的下端与壳体3的顶部固定连接；
颗粒阻尼器4与壳体3均采用钢材质制作，颗粒阻尼器4与壳体3的结构均设置呈圆柱形结构；
圆柱形颗粒阻尼器4内直径小于与圆柱形壳体3的内直径，圆柱形所述壳体的内直径d1设置为1～2H，圆柱形所述颗粒阻尼器的内直径d2设置为d1-10mm；
圆柱形壳体3的内腔与圆柱形颗粒阻尼器4的内腔的高度比为2～3：1，圆柱形所述壳体的内腔高H1设置为50mm～100mm，圆柱形所述颗粒阻尼器的内腔高H2设置为1/3～1/2H1；
圆柱形所述壳体和圆柱形所述颗粒阻尼器的厚度设置均为2～3mm，基板1的厚度设置为2～10mm，长宽适中。
如图2所示，颗粒阻尼器4通过壳体3按照声子晶体规律的镶嵌在基板1上，基板1整体呈现对称性和周期性，能够有效吸收结构振动能量，从而具有低频降振的效果。
本发明的工作原理及使用过程：如图1-图2示意，基板1、壳体3和颗粒阻尼器4均采用钢材质制备而成，由于内设有颗粒阻尼器4的壳体3设置在基板1模态共振点处，整体结构呈现对称性和周期性，故当基板1发生振动或震荡时，颗粒阻尼器4会在弹簧B502的弹性作用下能够有效抑制壳体3下部的振动，使得颗粒阻尼器4下部的减振频带更宽，同时颗粒阻尼器4会在弹簧A501的弹性作用下能够有效抑制壳体3上部的振动，使得颗粒阻尼器4上部的减振频带更宽，从而使壳体3能够抑制基板1的振动，促使颗粒阻尼器4具备了极宽的带隙特性，低频减振效果更好；当基板1振动结束后，颗粒阻尼器4会在弹簧A501和弹簧B502的弹性作用下迅速复位，在保证弹簧A501和弹簧B502频率合理搭配的，同时又能平衡颗粒阻尼器4中阻尼颗粒6的碰撞，大幅度地减小了噪声，提升了低频减振的效果，使得颗粒阻尼器4同时具备了低振动传递、低噪声辐射特、低频隔振的特点，从而保证了声子晶体具有良好的隔振效果，且对工作环境适应性强，并能在-40℃-110℃环境下正常工作，使用寿命得到了有效提升，同时也对主动隔振、被动隔振、冲击振动和固体传声的隔离都具有明显的效果，荷载范围较广，适应性强。
为了更进一步验证含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构的减振效果，进行了如图3所示的实验，先将阻尼颗粒6的直径设置为5mm，填充率设置为80%，再将圆柱形颗粒阻尼器4的尺寸设置为厚度2mm、内直径90mm、内腔高30mm，而后将圆柱形壳体3的尺寸设置为厚度2mm、内直径100mm、内腔高60mm，然后将基板1的尺寸设置为厚度4mm、长800mm、宽800mm；
如图3所示的实验设备为扫频信号发生器(SA-SG030)7、功率放大器(MB Dynamics(Model MB500VI))8、激振器(MB Dynamic)9、加速度传感器(CA-YD-185)10和测试分析系统(DASP)11，由扫频信号发生器7产生10Hz～1000Hz正弦扫频信号，扫速1.5（扫描速率，倍频），由功率放大器8放大的信号驱动激振器9，通过激振器9激励声子晶体结构，利用加速度传感器10分别采集声子晶体结构输入、输出位置的信号，经过DASP测试分析系统11进行测量和数据分析处理，获得振动传特性曲线，而利用此实验对仅使用基体的普通结构、基体与阻尼器直连或基体与阻尼器辅助连接的其他结构和通过弹簧A501和弹簧B502将颗粒阻尼器4固定于壳体3内并与基体1螺纹连接的该结构进行对比，对比的实验数据如图4所示，1/3倍频程频带的结构辐射噪声声压级下，该结构在低频10Hz～1000Hz的平均降噪要低于普通结构和其他结构，该结构的频率范围内振动幅值衰减度要高于普通结构和其他结构。

Claims (10)

1.一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，包括基板，所述基板上周期性排布设置有若干组颗粒阻尼机构，所述颗粒阻尼机构包括壳体和颗粒阻尼器，其特征在于，所述颗粒阻尼器的上下两侧各连接设置有一个与壳体相连接的弹簧，所述颗粒阻尼器通过两个弹簧与壳体弹性连接，所述壳体的底部与基板螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，两个所述弹簧设置为弹簧A和弹簧B，所述弹簧A和弹簧B相对设置在颗粒阻尼器的两侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，所述弹簧A的上端与壳体的顶部固定连接，所述弹簧A的下端与颗粒阻尼器的上端固定连接，所述弹簧B的上端与颗粒阻尼器的下端固定连接，所述弹簧B的下端与壳体的顶部固定连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，所述弹簧A与弹簧B的结构相同，所述弹簧A和弹簧B的刚度范围均为10000～50000N/M。
5.根据权利要求3所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，所述颗粒阻尼器通过弹簧A和弹簧B设置在壳体的内部中间位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，所述颗粒阻尼器与壳体均采用钢材质制作，所述颗粒阻尼器与壳体均设置呈圆柱形结构，圆柱形所述颗粒阻尼器内直径小于与圆柱形壳体的内直径，圆柱形所述壳体的内腔与圆柱形颗粒阻尼器的内腔的高度比为2～3：1。
7.根据权利要求6所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，圆柱形所述壳体的内直径d1设置为1～2H，圆柱形所述壳体的内腔高H1设置为50mm～100mm，圆柱形所述壳体的厚度设置为2～3mm。
8.根据权利要求6所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，圆柱形所述颗粒阻尼器的内直径d2设置为d1-10mm，圆柱形所述颗粒阻尼器的内腔高H2设置为1/3～1/2 H1，圆柱形所述颗粒阻尼器的厚度设置为2～3mm。
9.根据权利要求8所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，圆柱形所述颗粒阻尼器的内部封闭设置有阻尼颗粒，所述阻尼颗粒填充率为80％，所述阻尼颗粒直径d为1～10mm，级配或非级配；所述阻尼颗粒的材质设置为铁基颗粒或钨基颗粒、铅颗粒、且恢复系数e为0.1～0.9。
10.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体的含弹簧阻尼型动力吸振器低频减振结构，其特征在于，所述颗粒阻尼器通过壳体对称式周期性的设置在基板的模态共振点处，整体结构呈现对称性和周期性。
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