CN209096160U - 一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料结构，包括开设有孔阵列基体，以及设置在每一个孔中的控频模块和能量耗散模块，能量耗散模块的两端分别嵌入基体和控频模块中；基体由第一中间层以及对称设置于第一中间层上表面和下表面的第一复合层构成，能量耗散模块由第二中间层以及对称设置于第二中间层上表面和下表面的第二复合层构成，控频模块由第三中间层以及对称设置于第三中间层上表面和下表面的第三复合层构成。该超颖材料结构具有结构轻巧、所占空间小、安装便利、轻量化等优点，具有很强的应用价值，值得在业内推广。

Description

一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料

技术领域

本实用新型属于振动控制及复合材料技术领域，具体涉及一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料。

背景技术

如今，用户对汽车乘坐舒适性的要求日渐增长，提高汽车NVH性能是国内外企业提高市场竞争力以及产品升级的重要方向之一。对于汽车、船舶等交通运输工具而言，中低频振动一直是热点、难点问题，因为中低频振动波在传播时不仅穿透能力强且难以衰减。结构的过度振动，轻则影响舒适性，重则激发其余零部件、仪器的共振峰，危及可靠性、使用寿命和安全性；并且当某些频率的次声波与人体器官的频率接近时，产生共振，对人体造成的伤害非常大。

在工程运用中，常用阻尼材料进行振动噪声控制，将高阻尼系数材料附在结构件的表面，通过将机械振动的能量转化为热能或者其他形式的能量耗散掉，从而达到减振的目的。然而，虽然传统阻尼材料对高频减振效果显著，但对低频减振效果欠缺，其受温度影响较大，低温和高温条件下减振性能都低，使用周期较短；同时新型阻尼材料经济适用性不高。伴随轻量化、环保化的限制条件，对阻尼材料的要求也越来越高。所以迫切需要一种新方法、新理论和环保新结构来解决结构的低频振动问题。

目前，振动控制的方法主要有两类：第一是从振动的源头上进行振源控制，比如，设计开发具有较少振动的产品。第二是从振动传播的路径上进行控制，以达到隔离、衰减和吸收振动的目的。对两种方法进行比较，一般情况下从源头上进行控制成本高且难度较大，所以从传播路径上进行控制成为优化选择。近年来，新兴的超颖材料具有良好的吸隔振效果。超颖材料没有严格的定义，这种材料可周期性调节材料的弹性模量和质量密度，通过改变材料中的“人工晶胞”，使单个“人工晶胞”产生局域共振作用，形成奇特的吸隔振超颖材料特性。对于超颖材料禁带的研究，早期是基于布拉格散射机理，其禁带主要集中在中高频段，后续研究突破了布拉格散射机理的限制，可以达到晶格的小尺寸控制禁带所对应的大波长，并且散射体也无需周期性排布，任意随机的排列都能形成禁带。

相关领域已公开的专利中，率志军，李玩幽，翁俊等人的发明“一种小质量比减振结构(CN 201973166 U)”，主要介绍了通过安装隔振器对动力吸振器的能量进行分流，从而减小吸振器重量、体积、成本。但该结构的质量相对本发明仍然过重，且这种小质量比减振结构的应用场合较为局限，不适用于车身的低频振动。相关领域已发表的论文中，吴九汇、马富银等发表的论文“声学超材料在低频减振降噪中的应用评述”(机械工程学报,2016.13.068)中提及基于超颖材料的低频减振降噪结构主要有三类：第一类是一维杆状结构，此类结构是利用杆的轴向运动降低轴系、杆系等结构中的振动问题。第二类是薄板类结构，设计此类结构获得带隙处于较高的KHz段，不能应用于中低频的振动控制。第三类是薄膜类结构，通过调节薄膜张力以及各个单元的形状尺寸来获得共振的频率，但是薄膜张力的调节十分困难，微小的改变引起频率成百上千的变化量

综上所述，对于工程中的中低频振动问题，传统阻尼材料低频减振效果不理想，新型阻尼材料成本费用高昂，其他结构不具备物理上频率精准可控、且具有较宽禁带的特点。基于局域共振原理的超颖材料可解决中低频振动控制的瓶颈问题并且制造成本较低，因此，迫切需要发明一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，该超颖材料结构可针对性解决任意中低频段的振动问题，且需要吸隔振的频率可精确设计，同时具有结构尺寸小、便于安装、符合轻量化要求的优点。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，包括开设有孔阵列基体，以及设置在每一个孔中的控频模块和能量耗散模块，所述能量耗散模块的两端分别嵌入基体和控频模块中；所述基体由第一中间层以及对称设置于第一中间层上表面和下表面的第一复合层构成，所述能量耗散模块由第二中间层以及对称设置于第二中间层上表面和下表面的第二复合层构成，所述控频模块由第三中间层以及对称设置于第三中间层上表面和下表面的第三复合层构成。

优选地，该结构中，含一个孔的基体以及设置于该孔中控频模块、能量耗散模块组成单个“人工晶胞”，各个“人工晶胞”中的控频模块/能量耗散模块的尺寸并不完全一致，各个“人工晶胞”中的能量耗散模块和控频模块的组合方式并不完全相同,所述组合方式是指能量耗散模块和控频模块不同尺寸的组合。不同减振频段对应不同能量耗散模块、控频模块的尺寸。能量耗散模块和控频模块的不同尺寸参数，被激发的模态不同，可以进行多个方向的吸隔振。能量耗散模块和控频模块组合方式不同，可进行多个离散频段的吸隔振。

控频模块尺寸需根据应用场合进行精确控制，但控频模块的尺寸没有确切的控制范围，根据具体应用场合调整，例如，若需要在32Hz处具有减振效果，则精确调整控频模块的尺寸为20*10*0.2mm。同样的，能量耗散模块尺寸也需根据应用场合进行精确控制，但控频模块的尺寸没有确切的控制范围，根据具体应用场合调整。具体尺寸应符合轻量化要求。

优选地，各个人工晶胞中的能量耗散模块/控频模块尺寸均不相同，各个人工晶胞中的能量耗散模块和控频模块的组合方式也均不相同。

优选的，所述能量耗散模块由第二中间层以及对称设置于第二中间层上表面和下表面的第二复合层构成。

优选地，所述基体、能量耗散模块和控频模块总质量不超过50克。

优选地，所述第一复合层由低密度高硬度金属材料和/或腈硅橡胶材料制成，所述第二复合层由复合橡胶材料制成，所述第三复合层采用金属材料制成，所述第一中间层、第二中间层、第三中间层均采用纤维复合材料制成。

优选地，所述第一复合层、第二复合层以及第三复合层均由至少一层材料层构成。

优选地，所述第一复合层由两层相互粘接的材料层构成，该两层材料层分别采用低密度高硬度金属材料和腈硅橡胶材料制成；所述第二复合层和第三复合层均只由一层材料层构成。

优选地，所述基体、控频模块和能量耗散模块的各组成层之间均采用粘流态阻尼胶粘接。

本实用新型的原理在于：本实用新型为一种基于人工设计与控制的超颖材料结构，基于局域共振原理，通过设计本实用新型的材料组成以及尺寸结构来调节吸振频带和带隙宽度，从而实现减振。本实用新型的创新点在于：可以对某一频段处的振动，针对性的设计超颖材料进行减振，并且带隙宽度也可增加。

本实用新型提供的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料具有以下有益效果：该结构可有效解决目前传统阻尼材料作用欠佳的中低频振动控制瓶颈问题，能够根据实际工程需要，合理调节控频模块、能量耗散模块的尺寸从而达到对任一频段振动定点吸隔振的目的，可控制声学带隙宽度以及位置，实现一个频段内的吸隔振，还可以同时解决多个离散频段处的振动问题，或通过控制不同模态振型，实现多个方向的吸隔振。进一步的，该结构将金属、橡胶、纤维等多种材料进行复合，具有阻尼的同时，又解决了传统阻尼材料寿命短、受温度影响大、低频减振效果不理想的缺点。该结构质量轻，满足轻量化的要求。

此外，本实用新型运用多种复合材料，且各层材料之间采用粘流态阻尼材料进行连接，该结构致力于解决中低频问题，但高频振动也可以吸收；所使用的原材料不含新型高端产品，为基础原材料，便宜且较易获得，经济性高。整体而言，本实用新型具有的特殊的结构设计，可以通过“小尺寸控制大波长”，实现中低频段的吸隔振动，同时还具有结构轻巧、所占空间小、安装便利、轻量化等优点，具有很强的应用价值，值得在业内推广。

附图说明

图1是本实用新型超颖材料结构中单个“人工晶胞”的三个组成部分位置示意图；

图2是本实用新型超颖材料结构中单个“人工晶胞”的结构示意图；

图3是本实用新型在某一宽频带具有吸隔振功能的超颖材料结构示意图；

图4是本实用新型中单个“人工晶胞”整体示意图。

图5是本实用新型超颖材料结构中不同“人工晶胞”组合结构的半剖结构图。

图6是本实用新型超颖材料结构窄频带吸隔振效果示意图。

图7是本实用新型超颖材料结构安装于钢板上的仿真示意图。

图8是本实用新型超颖材料结构宽频段吸隔振效果示意图。

附图标记说明：1、基体；2、能量耗散模块；3、控频模块；11、第一中间层；12、第一复合层；21、第二中间层；22、第二复合层；31、第三中间层；32、第三复合层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明：

如图1-5所示，本实用新型的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，包括开设有孔阵列基体1，以及设置在每一个孔中的能量耗散模块2和控频模块3。基体1材料上的孔阵可以为矩形、圆形等，并无特殊限制。

在本实施例中，基体1整体呈薄片结构，由第一中间层11以及对称设置于第一中间层 11上表面和下表面的第一复合层12构成。基体1总厚度为1mm，开有35*30mm的矩形孔，保证能量耗散模块2和控频模块3具有足够的位移空间。第一复合层12由两层材料层构成，该两层的材料层分别采用低密度高硬度金属材料和腈硅橡胶材料制成，第一中间层 11采用纤维复合材料制成。即基体1由上至下共有五层材料层，由上至下分别为低密度高硬度金属材料层(复合层)、腈硅橡胶材料层(复合层)、纤维复合材料层(中间层)、腈硅橡胶材料层(复合层)、低密度高硬度金属材料层(复合层)。各材料层之间采用粘流态阻尼胶粘接。

控频模块3整体呈块状结构，由第三中间层31以及对称设置于第三中间层31上表面和下表面的第三复合层32构成。控频模块3总厚度为0.5～3mm。第三中间层31采用纤维复合材料制成，优选具有弹性的纤维复合材料。第三复合层32采用金属材料制成。即能量耗散模块2由上至下共有三层材料层，由上至下分别为金属材料层(复合层)、纤维复合材料层(中间层)、金属材料料层(复合层)。各材料层之间同样采用粘流态阻尼胶粘接。

能量耗散模块2整体呈长方形薄片结构，由第二中间层21以及对称设置于第二中间层21上表面和下表面的第二复合层22构成。能量耗散模块2尺寸为20*10*0.2mm。第二中间层21采用纤维复合材料制成，优选具有弹性的纤维复合材料。第二复合层22采用复合橡胶材料制成。即能量耗散模块2由上至下共有三层材料层，由上至下分别为复合橡胶材料层(复合层)、纤维复合材料层(中间层)、复合橡胶材料层(复合层)。各材料层之间同样采用粘流态阻尼胶粘接。能量耗散模块2的两端分别嵌入第一中间层11和第三中间层 31中。

上述低密度高硬度金属材料、腈硅橡胶材料、纤维复合材料、复合橡胶材料以及金属材料均为本领域常规材料。其中，低密度高硬度金属材料同时拥有密度低、硬度高的特点，其硬度范围为HV1000，密度范围为2.72-5.90g/cm³，比如镁铝合金、钛合金等。纤维复合材料是由纤维材料和基体1材料构成，对于纤维材料，常用的有碳纤维、玻璃纤维等；基体1材料则有环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂等。本实用新型中中间层 (包括第一中间层11、第二中间层21和第二中间层21)优选采用具有弹性的纤维复合材料，“具有弹性”指当外力作用在该材料上时，材料发生变形，当外力撤销时，材料能较好的恢复到原始状态。金属材料为铁、铬、锰等。

值得说明的是，能量耗散模块2、控频模块3的形状和布置可以根据实际需求进行相应设计。基体1、能量耗散模块2以及控频模块3的材料层数也并无特殊限制，可根据实际工程需要，进行增加和减少，只需满足轻量化和环保的原则。基体1模块的作用是给能量模块和能量耗散模块2提供支撑和振动的空间，所以基体1层数的增加和减少影响整个结构的质量，从而影响对材料的轻量化要求。此外，材料的层数不同，基体1材料提供的刚度也不同。能量耗散模块2和控频模块3的层数则影响吸振频率。能量耗散模块2和控频模块3的尺寸以及材料严格控制着吸隔振的频率，依据轻量化原则和吸隔振的频率应按照设计需要严格控制该两个模块的层数以及尺寸。

通过调节各个模块的本征模态(一阶弯曲模态，二阶扭转模态，三阶伸缩模态)可达到定点吸隔振的目的，且各个本征模态振型与频率之间互相解耦，具体为：使能量耗散模块2的尺寸参数(若为立方体，则是长度、宽度、高度)不变，调节控频模块3中各层材料长度、宽度、厚度以激发出结构的弯曲模态、扭转模态、伸缩模态，最终能衰减、吸收不同方向的振动；若保持控频模块3尺寸参数不变，调节能量耗散模块2的材料组成及其尺寸参数，这样可以控制振动的衰减速度。

该超颖材料结构中，以含一个孔的基体1以及设置于该孔中能量耗散模块2、控频模块 3组成单个“人工晶胞”。若将可吸[f₁-f_n]Hz处振动的“人工晶胞”与可吸[f_2n-f_2n+2]Hz处振动的“人工晶胞”组合，则组合结构在这两处都具吸隔振效果。进一步的，除了多个频带吸隔振之外，还有连续频段吸隔振[f₁-f_n]，调节“人工晶胞”中控频模块3和能量耗散模块 2长度、宽度、厚度，可形成吸不同频率的“人工晶胞”，这些“人工晶胞”组合后，可吸隔振[f₁-f_n]频段。若需要在[f₁-f_n]频段内具有吸隔振效果，则设计超颖材料结构如图3所示，每一行、每一列的“人工晶胞”尺寸都不同，若按照5*5的排列方式布置在基体1的孔阵中，可形成较宽的带隙，在一宽频段内具有吸隔振效果。

在实际工程应用中，可根据需要对实用新型中的基体1、能量耗散模块2、控频模块3 进行设计，改变“人工晶胞”的个数、排列方式，从而达到定点吸隔振以及形成较宽禁带的目的。

为进一步展现本实用新型的优点，以下对本实用新型的对减振效果进行展示说明：

如图6所示，为本实用新型超颖材料在窄频带处吸隔振效果示意图，某一结构在29-32Hz和147-152Hz附近各有一个模态，根据本实用新型方法原理设计一种相应的结构，将减小两个窄频带处的振动。实线为某结构的振动加速度曲线，原始状态表示不加任何减振结构，虚线为加了超颖材料的减振效果。

如图7所示，某块尺寸为400*420*3mm的钢板在32Hz附近有几个振动峰值，将五个控制不同频率的“人工晶胞”组合而成的结构安装于该钢板上，超颖材料结构的总体尺寸为250*50*1mm，总共5个“人工晶胞”可在22～45Hz形成较宽禁带。矩形孔30*35mm，能量耗散模块2长度29～32mm；控频模块3宽度6～12mm，长度18～22mm。

如图8所示，为超颖材料在宽频段吸振效果示意图，实线为原始状态的振动加速度曲线，虚线为加了超颖材料后的振动加速度曲线。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：包括开设有孔阵列基体(1)，以及设置在每一个孔中的能量耗散模块(2)和控频模块(3)，所述能量耗散模块(2)的两端分别嵌入基体(1)和控频模块(3)中；所述基体(1)由第一中间层(11)以及对称设置于第一中间层(11)上表面和下表面的第一复合层(12)构成，所述能量耗散模块(2)由第二中间层(21)以及对称设置于第二中间层(21)上表面和下表面的第二复合层(22)构成，所述控频模块(3)由第三中间层(31)以及对称设置于第三中间层(31)上表面和下表面的第三复合层(32)构成。

2.根据权利要求1所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：该结构中，含一个孔的基体(1)以及设置于该孔中能量耗散模块(2)、控频模块(3)组成单个“人工晶胞”，各个“人工晶胞”中的能量耗散模块(2)/控频模块(3)的尺寸并不完全一致，各个“人工晶胞”中的能量耗散模块(2)和控频模块(3)的组合方式并不完全相同,所述组合方式是指能量耗散模块(2)和控频模块(3)不同尺寸的组合。

3.根据权利要求2所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：各个人工晶胞中的能量耗散模块(2)/控频模块(3)尺寸均不相同，各个人工晶胞中的能量耗散模块(2)和控频模块(3)的组合方式也均不相同。

4.根据权利要求1所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：所述基体(1)、能量耗散模块(2)和控频模块(3)总质量不超过50克。

5.根据权利要求1所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：所述第一复合层(12)由低密度高硬度金属材料和/或腈硅橡胶材料制成，所述第二复合层(22)由复合橡胶材料制成，所述第三复合层(32)采用金属材料制成，所述第一中间层(11)、第二中间层(21)、第三中间层(31)均采用纤维复合材料制成。

6.根据权利要求1所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：所述能量耗散模块(2)的两端分别嵌入第一中间层(11)和第三中间层(31)中。

7.根据权利要求1所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：所述第一中间层(11)、第二中间层(21)以及第三中间层(31)必须为低密度高硬度金属材料。

8.根据权利要求1-7任一所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：所述第一复合层(12)由两层相互粘接的材料层构成，该两层材料层分别采用低密度高硬度金属材料和腈硅橡胶材料制成；所述第二复合层(22)和第三复合层(32)均只由一层材料层构成。

9.根据权利要求1-7任一所述的多频带选控的中低频吸隔振超颖材料，其特征在于：所述基体(1)、能量耗散模块(2)和控频模块(3)的各组成层之间均采用粘流态阻尼胶粘接。