CN116538232A - 一种具有多局域共振带隙的周期振子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多局域共振带隙的周期振子结构，由周期振子结构和多类型LR吸振器组成，其中，周期振子结构由无数个相同周期单元通过两个节点串联连接而成，每个周期单元由振子质量块和振子弹簧组成，振子质量块为刚体，振子弹簧为一维弹性元件；多类型LR吸振器，安装在周期振子结构上，每一类LR吸振器均由吸振器质量块和吸振器弹簧组成，且每一类LR吸振器的质量和谐振频率相同。本发明的多局域共振带隙的周期振子结构很好的揭示了周期结构中高频Bragg带隙和低频局域带隙特性，揭示了该周期结构中多个LR带隙和Bragg带隙的共存，在带隙频率范围内，振动在周期结构中的传递将出现大幅的衰减，从而实现减振的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种减振降噪的周期振子结构，尤其是一种在低频域和高频域均有良好振动衰减性能的具有多LR振动带隙特征的周期振子结构，
背景技术
随着现代装备日益向大型、轻质、重载、高速方向发展，其面临的振动与噪声问题日益突出(振动与噪声量级过高)。装备的振动与噪声量级过高，会大幅度降低其使用性能与舒适性，甚至影响装备的安全性乃至整机品质。
目前的减振降噪的主要技术包括有：在抑制振源强度方面，利用周期结构的振动带隙思想，设计一种结构形式呈周期分布，结构内存在带隙的周期结构振源，这样振源输出的振动幅度在带隙内将大大减小；在隔振方面，通过设计周期结构弹性元件，插入振源和柔性基础之间，使得振源传递到周期弹性元件上的振动在带隙内出现大幅度衰减，进而降低输入到柔性基础的振动幅度；在消振方面，同样设计周期结构基础，使得传递到基础的振动在带隙内被大幅度消除。
近年来，“声学超材料”新概念的提出为结构的低频振动与噪声控制提供了新的技术手段和途径。声学超材料是指由特殊设计的人工声学微结构单元(如局域共振子单元，或简称振子)周期排列在弹性介质中构成的新型声学材料或结构，能获得自然界材料不具有的超常物理特性(如负质量密度、负折射、负模量)，可以实现对低频弹性波和声波的超常操控，进而产生优异的减振降噪效果。已有文献的初步研究表明，借鉴声学超材料设计思想，在简单梁、板结构上周期排布振子单元，可以使这些结构产生类似于声学超材料的超常物理特性，实现对低频弹性波和声波的超常操控。因此，需要将声学超材料设计思想引入到实际工程中，设计一种具有多局域共振带隙的周期振子结构，大幅提升现代装备低频和高频减振、降噪。
发明内容
本发明的目的是要提出一种具有多局域共振带隙的周期振子结构，该周期振子结构不论在高频还是在低频的情况下都能同时存在LR振动带隙和Bragg振动带隙；在振动带隙频率范围内，机械弹性波被禁止传播，从而使得周期振子结构同时在多个低频带和高频带内均实现理想的减振目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种具有多局域共振带隙的周期振子结构，由周期振子结构和多类型LR吸振器组成，其中，周期振子结构由无数个相同周期单元通过两个节点串联连接而成，每个周期单元由振子质量块和振子弹簧组成，振子质量块为刚体，振子弹簧为一维弹性元件；多类型LR吸振器，安装在周期振子结构上，每一类LR吸振器均由吸振器质量块和吸振器弹簧组成，且每一类LR吸振器的质量和谐振频率相同。
进一步，周期振子结构具有Bragg带隙，Bragg带隙频率范围取决于振子的固有频率，带隙内的振动衰减常数取决于振子质量块的重量。
进一步，通过提高周期振子结构中振子质量块的质量或者降低振子弹簧的刚度都能够使得Bragg带隙往低频区域移动。
进一步，周期振子结构中的每个振子质量块上安装一个LR吸振器，在周期振子结构中生成一个低频LR带隙，能提高周期振子结构在低频区间内的振动衰减效果。
进一步，LR带隙频率范围取决于吸振器的固有频率，带隙内的振动衰减常数取决于吸振器质量块的重量。
进一步，周期振子结构中的每个周期单元上安装两个谐振频率不同的LR吸振器，形成双LR周期振子结构特征，具备两个LR带隙和一个Bragg带隙，用于增加周期振子结构减振降噪的能力。
本发明的有益效果是：
本发明的多局域共振带隙的周期振子结构很好的揭示了周期结构中高频Bragg带隙和低频局域带隙特性，揭示了该周期结构中多个LR带隙和Bragg带隙的共存，在带隙频率范围内，振动在周期结构中的传递将出现大幅的衰减，从而实现减振的效果。
附图说明
图1为多LR周期振子结构简图；
图2为周期振子结构简图；
图3为周期振子结构波传导系数，其中，(a)为衰减常数图像、(b)为相位常数图像；
图4为周期振子结构参数对Bragg带隙起始频率范围的起始频率的影响，其中，(a)为质量对带隙的影响、(b)为刚度对带隙的影响；
图5为半无限长LR周期振子结构；
图6为LR周期振子结构中波的传播系数；
图7为半无限长双LR周期振子结构；
图8为双LR周期振子结构中波的传播系数，其中，(a)为衰减常数，(b)为相位常数；
图9为双LR周期振子结构的动态响应，其中，(a)为无阻尼，(b)为阻尼比η＝0.1。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案作进一步的阐述。
如图1所示，本发明的具有多局域共振带隙的周期振子结构，主要由周期振子结构1和吸振器2组成，其中周期振子结构1，由质量块1-1和振子弹簧1-2组成，可以视为由无数个相同周期单元通过两个节点串联连接而成。安装在主干结构上的吸振器2可以分成n类，每一类吸振器2的质量和谐振频率相同。
对周期振子结构来说，周期振子结构的功能主要是来产生Bragg带隙，来用于减小高频区间的振动，而对吸振器来说，吸振器的功能是用来产生LR带隙，来用于减小低频区域的振动，当加上1类吸振器时，多局域共振带隙的周期振子结构会产生一个Bragg带隙和一个LR带隙，当在周期振子结构上加上两类吸振器时，多局域共振带隙的周期振子结构会产生个Bragg带隙和两个LR带隙，形成双LR周期振子结构。当加上n类吸振器时，会形成多LR周期振子结构，如图1所示，在Bragg带隙和n个LR带隙频率范围内，振动能量在周期结构中的传递将出现大幅的衰减，从而实现减振的效果。
实施例：
一种具有多局域共振带隙的周期振子结构，简称多LR周期振子结构，多LR周期振子结构主要由周期振子结构1和多LR吸振器2组成，如图1所示，其虚线方框內的周期振子结构为主干结构，周期振子结构1主要由振子质量块1-1和振子弹簧1-2组成。多LR吸振器2，简称吸振器，安装在主干结构上的吸振器可以分成n类，吸振器结构主要由吸振器质量块2-1和吸振器弹簧2-2组成，每一类吸振器的质量和谐振频率相同。周期振子结构可以视为由无数个相同周期单元通过两个节点串联连接而成。周期结构中的质量块视为刚体，而弹簧视为一维弹性元件。
去掉LR周期振子结构中的吸振器，得到周期振子结构，如图2所示，这个周期振子结构可以得到Bragg带隙，带隙频率范围主要取决于振子的固有频率，带隙内的振动衰减常数(表征振动衰减幅度)主要取决于振子质量块的重量。
提高周期振子结构中质量块的质量或者降低弹簧的刚度都可以使得Bragg带隙往低频区域移动，如图3中的(a)、(b)和图4中的(a)、(b)所示。
周期振子中想要在低频区间取得振动带隙，那么在周期振子中，必须要质量块的质量非常大或者弹簧的刚度非常小，在实际工程中非常难以实现，但是在周期振子结构中的每个质量块上安装一个吸振器，就会在结构中生成一个低频LR带隙，这样的话就会提高周期振子结构在低频区间内的振动衰减效果，如图5、图6所示。LR带隙频率范围取决于吸振器的固有频率，带隙内的振动衰减常数(表征振动衰减幅度)主要取决于吸振器质量块的重量。
在周期振子结构中的每个周期单元上安装两个谐振频率不同的吸振器，形成双LR周期振子结构特征，具备两个LR带隙和一个Bragg带隙，如图7、图8所示，增加了结构减振降噪的能力。当两类吸振器的谐振频率相差较大时，两个LR带隙相不干扰；当吸振器谐振频率接近是，则两个LR带隙将相互干扰，影响带隙衰减常数和相位常数。
对于无阻尼周期结构，半无限长周期结构上前十个节点处的加速度频响结果如图9中的(a)所示，对应的两个LR带隙和一个Bragg带隙频率范围内，周期结构上的振动传递出现明显的衰减。对于有阻尼结构，即阻尼比为0.1，周期结构上前十个节点处的速度如图9中的(b)所示，比起无阻尼结构，增加结构阻尼在减弱振动衰减幅度的同时会加大频响曲线出现振动衰减的频率范围。
对应的两个LR带隙和一个Bragg带隙频率范围内，周期结构上的振动传递出现明显的衰减，如图8中的(a)、(b)所示。
Claims (6)
1.一种具有多局域共振带隙的周期振子结构，其特征在于：由周期振子结构和多类型LR吸振器组成，其中，周期振子结构由无数个相同周期单元通过两个节点串联连接而成，每个周期单元由振子质量块和振子弹簧组成，振子质量块为刚体，振子弹簧为一维弹性元件；多类型LR吸振器安装在周期振子结构上，每一类LR吸振器均由吸振器质量块和吸振器弹簧组成，且每一类LR吸振器的质量和谐振频率相同。
2.根据权利要求1所述的具有多局域共振带隙的周期振子结构，其特征在于：周期振子结构具有Bragg带隙，Bragg带隙频率范围取决于振子的固有频率，带隙内的振动衰减常数取决于振子质量块的重量。
3.根据权利要求2所述的具有多局域共振带隙的周期振子结构，其特征在于：通过提高周期振子结构中振子质量块的质量或者降低振子弹簧的刚度都能够使得Bragg带隙往低频区域移动。
4.根据权利要求1所述的具有多局域共振带隙的周期振子结构，其特征在于：周期振子结构中的每个振子质量块上安装一个LR吸振器，在周期振子结构中生成一个低频LR带隙，能提高周期振子结构在低频区间内的振动衰减效果。
5.根据权利要求4所述的具有多局域共振带隙的周期振子结构，其特征在于：LR带隙频率范围取决于吸振器的固有频率，带隙内的振动衰减常数取决于吸振器质量块的重量。
6.根据权利要求1所述的具有多局域共振带隙的周期振子结构，其特征在于：周期振子结构中的每个周期单元上安装两个谐振频率不同的LR吸振器，形成双LR周期振子结构特征，具备两个LR带隙和一个Bragg带隙，用于增加周期振子结构减振降噪的能力。
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