CN210295893U

CN210295893U - 一种频率可变的夹层薄板减振超结构

Info

Publication number: CN210295893U
Application number: CN201920510772.8U
Authority: CN
Inventors: 赵丹丹; 丁渭平; 黄海波; 毛楠杰; 官锌强; 杨明亮
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2029-04-16

Abstract

本实用新型一种频率可变的夹层薄板减振超结构,涉及降噪、减震技术领域，尤其涉及一种采用频率可变的电流变液来减振的夹层薄板结构，用以解决减振降噪材料或结构可调控性低、自适应性较弱的问题；其包括矩形框架，所述框架内设置有能量衰减单元，所述能量衰减单元包含一根夹层梁和多根从左到右增加或减少的副夹层梁，所述副夹层梁的端部设置有质量单元。本实用新型可以其针对传统减振降噪材料或结构可调控性低、自适应性较弱的问题，实现较宽的低频带隙的特点降噪材料可调控性高，自适应性能强的特点。

Description

一种频率可变的夹层薄板减振超结构

技术领域

本发明属于降噪、减震技术领域，尤其涉及一种频率可变的夹层薄板减振超结构。

背景技术

目前，随着现代工业的发展，人类生活坏境中的噪声和振动问题日益突出。一方面，如何实现机电设备的减振降噪，保证机电设备安全、长寿命地工作是我们亟待解决的问题；另一方面，大型机械设备的作业，带来的振动问题，不仅会对居住的楼房产生不可逆破坏，更会对人类的身体健康产生影响。如何找到有效的抑制振动、降低噪音的办法，已经成为目前的一个重要课题，市面上难于设计出对于特定频率的弹性波进行吸收的结构。

振动与噪声品质是现代装备发展的一个重要目标和特征，过强的振动和噪声严重影响装备的工作性能、精度、效率，以及运行安全性、可靠性和服役寿命等；过高的噪声会破坏人类生活及工作环境的舒适性，降低人们生活品质，装备中的振动与噪声通常是以弹性波的形式进行传播的，本质都可以归结于结构/材料中的弹性波传播效应，所以对材料/结构中弹性波调控机理及特性进行研究，设计、制造优良的材料与结构来抑制和防止振动与噪声，从而提高机械设备的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)性能。

对于现有的减振降噪材料，有以玻璃棉、石棉绒等多孔性材料组及穿孔钢板为主的材料；有以钢板、混凝土、墙砖材料为主的隔声材料；以及常规橡胶、耐热橡胶、沥青基等阻尼减振材料。这些传统的减振降噪材料虽然具有一定的振动与噪声控制作用，但这些传统的减振材料材料或结构的刚度、阻尼不可调，从而都具有一个特定的固有频率，只对频率在固有频率附近的振动才具有较好的减振抗噪效果，因而其可调控能力差，自适应的能力相对比较弱。

发明内容

针对传统减振降噪材料或结构可调控性低、自适应性较弱的问题，本发明的目的在于：

提供一种频率可变的夹层薄板减振超结构，将电流变液嵌入人工周期性结构中，具有较宽的低频带隙的特点降噪材料可调控性高，自适应性能强的特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种频率可变的夹层薄板减振超结构，包括矩形框架，所述框架内设置有能量衰减单元。

采用了此方案，该装置放置于待减振的设备上，减少设备振动所产生的损害。

其中，所述能量衰减单元包括:一根主夹层梁、数根副夹层梁和数个质量单元，所述数根副夹层梁两端均分别设置有一个质量单元，采用所述数根副夹层梁的长度从主夹层梁的一端到另一端依次增加或减少，所述数根副夹层梁以主夹层梁为对称轴，所述数根副夹层梁相互平行。

根据公式：

和

ω_r＝(k_r/m_r)^1/2＝2πf^r；

通过采用上述公式中的算法可以得出，由于数根k_r(局域共振子的弹簧刚度)不同，使ω_r(局域共振子圆频率)和f^r(局域共振子的固有频率)不一样，通过扩大带隙的整体频带宽度，可以拉宽带隙调控范围。

其中，A表示杆的横截面积；ρ表示杆的密度；I表示杆的界面惯性矩；E表示杆的弹性模量；l表示相邻周期性结构之间的距离；f^r为局域共振子的固有频率，可知由于周期性排列的夹层梁长度不一致，使得k_r不同，从而ω_r和f^r值不同，使得产生多个Ω值。(k_r表示局域共振子的弹簧刚度；f^r表示局域共振子的固有频率；ω_r表示局域共振子圆频率；Ω表示局域共振子的无量纲固有频率)。

所述能量衰减单元包括能量衰减单元A和能量衰减单元B，所述能量衰减单元A的数根副夹层梁的长度从主夹层梁的一端到另一端依次增加,能量衰减单元B的数根副夹层梁长度从主夹层梁的一端到另一端依次减少。且能量衰减单元A和能量衰减单元B以周期性地交替排列于矩形框架中。

采用了此方案，周期性排布可以周期性调节结构的杨氏模量或者密度等参数，可以控制弹性波在结构中的传播，使结构具有特殊的物理效应；并且能量衰减单元A和能量衰减单元B交替性的周期排列使得有限的空间内布置的单个周期结构更多，衰减的能量更多。

其中，所述矩形框架包括框架Ⅰ和框架Ⅱ，所述框架Ⅰ和框架Ⅱ相连接的边框为内部中空的腔体，所述腔体内充有电流变液，其它边框内部不设电流变液，所述矩形框架上设置有与电流变液连通的电源正极和电源负极，所述电源正极和电源负极连接有电源。

采用了此方案，在通常条件下，电流变液是一种悬浮液，在通电的情况下可以由液态转为固态，撤去电场的作用下由固态转变为液态，这样的性能可以使超结构的刚度、阻尼变化具有可逆性；并且这种变化是连续的，相应时间十分迅速，为了方便安装，则矩形框架的边框则不充入电流变液。

其中，所述质量单元外套设有附加质量卡套。

采用了此方案，当待减振结构的频率范围较低时，附加质量卡套增大局域共振子的质量，从而将发明结构的减振范围向低频移动。

其中，所述主夹层梁和副夹层梁均包含三层结构，由内至外以此为：最里层、夹层梁外层和夹层梁次外层，所述最里层为中空腔体，腔体内设有电流变液，夹层梁外层为高分子橡胶塑料，夹层梁次外层为合金材料。

采用了此方案，当弹性波在结构中传播时，从一层结构往下一层传播时，能量会受到较大的衰减，结构的层数越多，衰减的能量越大，能更快衰减能量，提高减振降噪效果。

其中，所述矩形四周边框下层为磁性合金材料，所述矩形四周边框上层为高分子材料。

采用了此方案，矩形框架下表面为磁性合金材料便于实际应用时直接吸附于金属待减振物体的表面，提高本装置的稳定性，且矩形框架上表面为高分子材料，减振结构与吸声材料共同作用，提高本发明的减振降噪作用。

一种频率可变的夹层薄板减振方法，将数根固有频率不同的弹性装置固定在同一个能量衰减单元内，使得能量衰减单元扩大了带隙的整体频带宽度，从而拉宽了带隙调控范围。

采用了此方案，由于弹性装置的固有频率不同，可以产生多个谐振带隙，扩大了带隙的整体频带宽度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.根据公式

和

ω_r＝(k_r/m_r)^1/2＝2πf^r(A表示杆的横截面积；ρ表示杆的密度；I表示杆的界面惯性矩；E表示杆的弹性模量；l表示相邻周期性结构之间的距离；f^r为局域共振子的固有频率)，由于周期性排列的夹层梁长度不一致，使得k_r不同，从而ω_r和f^r值不同，使得产生多个Ω值，扩大了带隙的整体频带宽度，从而拉宽了带隙调控范围。

2.所述能量衰减单元包括能量衰减单元A和能量衰减单元B，所述能量衰减单元A的数根副夹层梁的长度从主夹层梁的一端到另一端依次增加,能量衰减单元B的数根副夹层梁长度从主夹层梁的一端到另一端依次减少，周期性排布可以周期性调节结构的杨氏模量或者密度等参数，可以控制弹性波在结构中的传播，使结构具有特殊的物理效应；并且交替性的周期排列使得有限的空间内布置的单个周期结构更多，衰减的能量更多。

3.在通常条件下，电流变液是一种悬浮液，在通电的情况下可以由液态转为固态，撤去电场的作用下由固态转变为液态，这样的性能可以使超结构的刚度、阻尼变化具有可逆性；并且这种变化是连续的，相应时间十分迅速，为了方便安装，则矩形框架的边框则不充入电流变液。

4.当待减振结构的频率范围较低时，附加质量卡套增大局域共振子的质量，从而将发明结构的减振范围向低频移动。

5.当弹性波在结构中传播时，从一层结构往下一层传播时，能量会受到较大的衰减，结构的层数越多，衰减的能量越大，能更快衰减能量，提高减振降噪效果。

6.矩形框架下表面为磁性合金材料便于实际应用时直接吸附于金属待减振物体的表面，提高本装置的稳定性，且矩形框架上表面为高分子材料，减振结构与吸声材料共同作用，提高本发明的减振降噪作用。

7.结构具有轻量化的特点，结构整体质量较小，且采用高分子阻尼材料和超薄的金属材料复合而成，大大简化了传统减振装置的复杂程度，从而降低整个结构质量，符合轻量化的要求。

8.结构寿命长、性能稳定。基于电流变液的减振降噪材料与传统减振降噪材料相比，具有更强的耐久性能。

9.结构可从多个方向进行减振，当结构受到振动的激励时，会激发夹层梁的不同模态振型，使各个方向产生最大应变，从而可以从多个方向上进行减振，例如，激发本发明的一阶模态，则可以进行竖直方向的减振，本发明的结构方向与模态振型相关。

10.由于在矩形框架中的电流变液夹层中设置有正负电极，将正负电极分别与外接电源的正负极相连，对电流变液施加外电场时，由于颗粒与分散介质的介电常数不同，颗粒将被极化产生偶极矩。在外电场作用下，极化力使电流变液的分散粒子沿电场方向排列，并彼此吸引而形成链状纤维结构，从而导致体系的表观粘度上升，从而由液态变为固态，从而拉宽了带隙调控范围。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明局域共振型周期梁结构示意图。

图2是本发明的立体示意图。

图3是本发明的矩形框架示意图。

图4是本发明的能量衰减单元示意图。

图5是本发明的矩形框架四周边框的层次结构示意图。

图6是本发明电极、电流变液布置示意图。

图7是本发明夹层梁及质量单元层次结构示意图。

图中标示：1-矩形四周边框上层，2-矩形四周边框下层，3-附加质量卡套，4-电极正极，5-电极负极，6-最里层，7-电源正极，8-电源负极，9-夹层梁外层，10-夹层梁次外层，11-主夹层梁，12-副夹层梁，13-质量单元，14-能量衰减单元A，15-能量衰减单元B，16- 框架Ⅰ，17-框架Ⅱ。

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，以下结合附图及实施例，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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“左”、“右”等仅仅用来标示物体之间的相对位置，而不一定表示物体的实际位置。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种频率可变的夹层薄板减振超结构，具有较宽的低频带隙的特点降噪材料可调控性高，自适应性能强的特点。包括矩形框架，所述框架内设置有能量衰减单元，所述能量衰减单元包含一根主夹层梁11和多根长度从左到右逐渐变化的副夹层梁12，所述副夹层梁12的端部设置有质量单元13。工作原理为局域共振带隙机理，即将夹层梁和能量衰减单元在几何空间中周期性排列，相同的结构单元以相同的方式进行连接，再对超结构进行理论分析，将超结构转化为由质量和弹簧组成的集中参数系统，如附图1所示，通过分析这个简化系统的共振模式及固有频率来估计局域共振带隙的起止频率，方法如下：以最左边质量(m1)、弹簧(k2)、质量(m2)单个周期性结构为研究对象，首先分析单个周期性结构的动力学模型，用附加动刚度描述单个周期性结构的动力学特性，建立单个周期性结构在简谐条件下的运动方程，然后运用Bloch定理将其转化为特征值问题再求解。引入无量纲固有频率表示局域共振子的固有频率：

式中，A表示杆的横截面积；ρ表示杆的密度；I表示杆的界面惯性矩；E表示杆的弹性模量；l表示相邻周期性结构之间的距离；ω_r＝(k_r/m_r)^1/2＝2πf^r；f^r为局域共振子的固有频率。

此外，由于周期性排列的夹层梁长度不一致，使得k_r不同，从而ω_r和f^r值不同，使得产生多个Ω值，扩大了带隙的整体频带宽度进一步扩大了调控范围。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种频率可变的夹层薄板减振超结构，所述矩形框架内设置有能量衰减单元A和能量衰减单元B，且能量衰减单元A和能量衰减单元B周期性地交替排列于矩形框架中，所述衰减单元A包含一根夹层梁a1和长度从左到右呈线性变化逐渐增加的副夹层梁12，所述副夹层梁12的端部设置有质量单元13，所述衰减单元B15包含一根主夹层梁11 和长度从左到右增加或减少的副夹层梁12，所述副夹层梁之间等距，所述副夹层梁12的端部设置有质量单元13。多根夹层梁组成的能量衰减单元A14和能量衰减单B15布置于矩形框架中，能量衰减单元A14和能量衰减单B15周期性地交替排列于上下矩形框架中，所述能量衰减单元只与矩形框架的中间框相连，不与上下两边框相连，能量衰减单元作用是将本结构贴附于待减振结构时，待减振结构的振动引起本发明结构的各个单元的振动，从而加快待减振结构的能量衰减，达到减振的作用。周期性排布原因一是可以周期性的调节结构的杨氏模量或者密度等参数可以控制弹性波在结构中的传播，使结构具有特殊的物理效应；原因二是交替性的周期排列使得有限的空间内布置的单个周期结构更多，衰减的能量更多，结构可从多个方向进行减振，当结构受到振动的激励时，会激发夹层梁的不同模态振型，使各个方向产生最大应变，从而可以从多个方向上进行减振，基于局域共振原理进行减振，当待减振结构的频率能够激发本发明结构的模态时，可以减振，例如，激发本发明的一阶模态，则可以进行竖直方向的减振，本发明的结构方向与模态振型相关。

实施例2

本发明较佳实施例提供的一种或在实施例一的基础上提供的一种频率可变的夹层薄板减振超结构，所述矩形框架包括框架Ⅰ16和框架Ⅱ17，所述框架Ⅰ16和框架Ⅱ17相连接的边框为内部中空的腔体，所述腔体内充有电流变液，其它边框内部不设电流变液，所述矩形框架上设置有与电流变液连通的电源正极7和电源负极8，所述电源正极7和电源负极8连接有电源。如图6所示，“4”为通电电极的正极，“5”为通电电极负极，电极的布置方式与电流变液的位置相关，“6”为最里层，“7”为外接电源正极，“8”为外接电源负极，一般地，在通常条件下，电流变液是一种悬浮液，在通电的情况下可以由液态转为固态，撤去电场的作用下由固态转变为液态，这样的性能可以使超结构的刚度、阻尼变化具有可逆性；并且这种变化是连续的，反应时间十分迅速。由于在矩形框架中的电流变液夹层中设置有正负电极，将正负电极分别与外接电源的正负极相连，对电流变液施加外电场时，由于颗粒与分散介质的介电常数不同，颗粒将被极化产生偶极矩。在外电场作用下，极化力使电流变液的分散粒子沿电场方向排列，并彼此吸引而形成链状纤维结构，从而导致体系的表观粘度上升，从而由液态变为固态，从而拉宽了带隙调控范围。

实施例3

本发明提供的一种频率可变的夹层薄板减振超结构，质量单元13外套设有附加质量卡套3。当待减振结构的频率范围较低时，附加质量卡套3增大局域共振子的质量，从而将发明结构的减振范围向低频移动。

实施例4

本发明提供的一种频率可变的夹层薄板减振超结构，主夹层梁11和副夹层梁12包含三层结构，分别为最里层6、夹层梁外层9和夹层梁次外层10，所述最里层6为中空腔体，腔体内设有电流变液，夹层梁外层9为高分子橡胶塑料，夹层梁次外层10为合金材料。副夹层梁与质量单元的结构如附图7所示，夹层梁为三层结构，最里层、夹层梁次外层、夹层梁次外层分别为“6”、“10”、“9”。其中最外层“9”为铝合金材料，次外层“10”为高分子橡塑材料，最里层为充入的电流变液，多层材料复合，能更快衰减能量，提高减振降噪效果，当弹性波在结构中传播时，从一层结构往下一层传播时，能量会受到较大的衰减，理论上来说，结构的层数越多，衰减的能量越大，但是根据加工工艺与制造成本考虑材料的复合层数。

实施例5

本发明提供的一种频率可变的夹层薄板减振超结构，在附图2实例中，所述矩形基体框尺寸为：(长*宽*高)200*240*5mm，上下两个矩形凹槽尺寸为(长*宽*高)190*230*5mm,矩形四周边框下层(2)为磁性合金材料，便于实际应用时直接吸附于金属待减振物体的表面，矩形四周边框上层(1)为吸声高分子材料，减振结构与吸声材料共同作用，提高本发明的减振降噪作用。在附图3中，能量衰减单元A中包含一根尺寸为(长*宽*高)100*4*4 的主夹层梁11，和以主夹层梁11为对称轴的副夹层梁12，尺寸分别为(长*宽*高)7.5*4*4mm，9.5*4*4mm，11.5*4*4mm,12.5*4*4mm,13.5*4*4mm,15.5*4*4mm的副夹层梁12以及半径为2.5mm圆球状的质量单元13，在主夹层梁11上，相邻副夹层梁12之间的距离为12mm。在夹层梁中，电流变液所占厚度为2.5mm。本发明所述电流变液为二氧钛基电流变液，具有高介电常数、热稳定性好，材料环保、制造方法多的优良特点。在附图3中，副夹层梁的最外层为铝合金材料，次外层为高分子橡塑复合材料，具有抗腐蚀性、超强耐老化性能、优异的隔声性能等特点，用硫化硅橡胶对电流变液进行密封。

将本发明吸附于待减振物体上，矩形基体框架与待减振物体接触，振动将传递到本发明结构中，对本发明结构有一个振动激励，未接通外部电源时，由于本发明含有金属材料层和高分子材料层，具有一定的刚度，多个能量衰减单元与待减振结构产生局域共振，从而衰减待减振物体的振动能量；当接通外接电源时，控制电压大小，使电流变液由液体向固态进行转变，使得结构的刚度发生改变，从而调控减振频带点以及宽度，增强减振效果。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims

1.一种频率可变的夹层薄板减振超结构，其特征在于：包括矩形框架，所述框架内设置有能量衰减单元；

所述能量衰减单元包括:一根主夹层梁(11)、数根副夹层梁(12)和数个质量单元(13)，所述数根副夹层梁(12)两端均设置有一个质量单元(13)，所述数根副夹层梁(12)的长度从主夹层梁(11)的一端到另一端依次增加或减少，所述数根副夹层梁(12)以主夹层梁(11)为对称轴，所述数根副夹层梁(12)相互平行。

2.根据权利要求1所述一种频率可变的夹层薄板减振超结构，其特征在于：所述能量衰减单元包括能量衰减单元A(14)和能量衰减单元B(15)，所述能量衰减单元A(14)的数根副夹层梁(12)的长度从主夹层梁(11)的一端到另一端依次增加,能量衰减单元B(15)的数根副夹层梁(12)长度从主夹层梁(11)的一端到另一端依次减少，且能量衰减单元A(14)和能量衰减单元B(15)以周期性地交替排列于矩形框架中。

3.根据权利要求1所述一种频率可变的夹层薄板减振超结构，其特征在于：所述矩形框架包括框架Ⅰ(16)和框架Ⅱ(17)，所述框架Ⅰ(16)和框架Ⅱ(17)相连接的边框为内部中空的腔体，所述腔体内充有电流变液，其它边框内部不设电流变液，所述矩形框架上设置有与电流变液连通的电源正极(7)和电源负极(8)，所述电源正极(7)和电源负极(8)连接有电源。

4.根据权利要求1所述一种频率可变的夹层薄板减振超结构，其特征在于：所述质量单元(13)外设置有附加质量卡套(3)。

5.根据权利要求1所述一种频率可变的夹层薄板减振超结构，其特征在于：所述主夹层梁(11)和副夹层梁(12)均包含三层结构，由内至外依次为：最里层(6)、夹层梁外层(9)和夹层梁次外层(10)，所述最里层(6)为中空腔体，腔体内设有电流变液，夹层梁外层(9)为高分子橡胶塑料，夹层梁次外层(10)为合金材料。

6.根据权利要求1所述一种频率可变的夹层薄板减振超结构，其特征在于：所述矩形框架的四周边框下层(2)为磁性合金材料。

7.根据权利要求1所述一种频率可变的夹层薄板减振超结构，其特征在于：所述矩形框架的四周边框上层(1)为高分子材料。