本發(fā)明涉及一種非線性動力吸收器及其用于改善被墻壁隔開的兩個空間之間的隔音的用法。

背景技術：

確保被墻壁隔開的兩個房間之間的隔音典型地要么是通過增加墻壁的表面密度(masse surfacique)，要么是通過給所述墻壁加襯里。在雙層隔墻的情況下，可以將隔音材料插置在兩個隔板之間的氣隙中，該隔音材料典型地是礦棉墊或彈性泡沫。

從聲學角度看，這樣的雙層隔墻不管是否襯有隔離材料，在低頻下都表現(xiàn)為質(zhì)點-彈簧-質(zhì)點系統(tǒng)，其中兩個薄板之間的氣隙或隔離材料襯板起到將它們彼此聯(lián)接的彈簧的作用。圖1示出了帶有或者不帶隔離襯板的這樣的雙層隔墻的消音指數(shù)(NF EN ISO 140-3)怎樣隨著其聲音頻率而變化。

其中存在低頻(大約在100-150 Hz)的稱為“呼吸”頻率的第一特性消音(f₀)，其對應于系統(tǒng)的反相移動，以及高頻(2000 Hz與3000 Hz之間)的稱為重合頻率的第二特性消音(f_c)，其中入射聲波的波長與薄板中的彎曲波的波長“重合”。

本發(fā)明的目標是降低墻壁、尤其是雙層隔墻在低頻域中(也即大約50 Hz與150 Hz之間的頻率)的透音度，而且無需加設補充隔音層和增加隔墻的總厚度。

這個目標是通過一種尺寸適度的裝置實現(xiàn)的，該裝置緊固在墻壁的合適位置上，能夠通過適應墻壁的固有變化而減輕甚至消除墻壁在呼吸頻率下的諧振?；诒“宓倪@種諧振衰減的該物理現(xiàn)象稱為能量泵吸(英語是energy pumping或non-linear targeted energy transfer)。(例如參照O. Gendelman等人所著的《Energy pumping in non-linear mechanical oscillators》，第I和第II部分，J. Appl. Mech, 68 (2001) 34-48)。

能量泵吸這個名字是指從主要結(jié)構(gòu)(一般是線性振蕩器)向由基本上非線性的振蕩器構(gòu)成的輔助結(jié)構(gòu)的不可逆的振動能量傳遞。輔助結(jié)構(gòu)由質(zhì)點通過非線性彈簧(可能是阻尼器)聯(lián)接至主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成，它沒有固有諧振頻率，并且能在任何頻率下振蕩。從主要結(jié)構(gòu)的振動能量閾值開始，主要結(jié)構(gòu)的振動能量被傳遞到輔助結(jié)構(gòu)，從而減輕主要結(jié)構(gòu)的振幅。

稱為非線性動力吸收器(英文是non-linear energy sink，縮寫為NES)的輔助結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)選地明顯小于主要結(jié)構(gòu)。

能量泵吸廣泛地用于多種多樣的應用，例如建筑物和工程構(gòu)造的防震保護，以及車輛的動力性能和船只穩(wěn)定性能的提高。

本申請人認識到，迄今為止尚未有人設想過利用能量泵吸來降低分隔建筑物的兩個空間或者分隔建筑物的內(nèi)部與外部的墻壁的透音度。

本申請人研發(fā)了這樣一種非線性動力吸收器，其既簡單又牢固并且很輕，它可以簡單地緊固在設計成用作墻壁或隔墻的薄板上，例如吊頂元件、地磚、單層或雙層隔墻、內(nèi)襯元件等等。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的非線性動力吸收器包括作為主要元件的疊片(lame)，疊片的兩個末端嵌入在支座中(末端不是自由的)，小質(zhì)點緊固在該疊片上。在動力載荷的情況下，此疊片表現(xiàn)得像非線性彈簧，在包含載荷頻率的頻率范圍中在它的一個或多個平衡位置周圍振蕩，從而準許從主要諧振器(也即其上緊固著非線性吸收器的薄板)朝非線性動力吸收器的不可逆的振動能量傳遞。

因此本發(fā)明的一個目的是一種非線性動力吸收器，其包括：

-具有兩個末端部分和非線性彈簧功能的一個中間部分的疊片，

-質(zhì)點，其緊固至疊片的非線性彈簧功能的中間部分，

-緊固構(gòu)件，其準許將疊片的兩個末端部分緊固在實心支座上，使得非線性彈簧功能的中間部分能在它的一個或多個平衡位置周圍振蕩。

本發(fā)明的非線性動力吸收器因此包括三個主要構(gòu)件：

-用于將疊片緊固至主要結(jié)構(gòu)的緊固構(gòu)件，該主要結(jié)構(gòu)的振動要減輕，

-具有兩個非自由末端的疊片，兩個非自由末端嵌入在緊固構(gòu)件中，以及

-小質(zhì)點，其緊固在疊片的位于兩個嵌入末端部分之間的“自由”中間部分上。

當此動力吸收器受到具有足夠能量和適當頻率的振動載荷時，小質(zhì)點以不同于激發(fā)頻率的頻率、在垂直于疊片的主要平面的平面中振蕩，疊片的中間部分于是用作非線性彈簧，其將質(zhì)點聯(lián)接至緊固構(gòu)件和緊固著動力吸收器的主要結(jié)構(gòu)上。

疊片可以由任何高楊氏模量(一般大于50 GPa、優(yōu)選地大于60 GPa、且尤其大于70 GPa)的剛性彈性材料構(gòu)成。

它優(yōu)選地是金屬疊片。

該質(zhì)點優(yōu)選地緊固在疊片的非線性彈簧功能的中間部分的中心部分(更準確地說是在中間的三分之一)中，但是此位置并不是唯一能設想的位置，該質(zhì)點完全可以具有偏心位置。

該質(zhì)點可以由與疊片的材料相同或不同的材料制成。與疊片一樣，該材料優(yōu)選地是金屬材料。例如可以設想質(zhì)點和疊片形成為單一件，該質(zhì)點于是對應于疊片的中間部分的凸起。

疊片優(yōu)選地受到應力，尤其是壓縮應力或扭轉(zhuǎn)應力。此應力表現(xiàn)為形成薄疊片的彈簧的剛度減小。本申請人執(zhí)行的試驗顯示，此應力還有這樣的有利效果：能降低能量泵吸現(xiàn)象的觸發(fā)閾值，并增加動力吸收器的效率。

疊片優(yōu)選地不受拉伸應力，拉伸應力可能會降低甚至抵消非線性動力吸收器的效力(可能因為彈簧剛度和觸發(fā)閾值的增高)。

壓縮應力或扭轉(zhuǎn)應力優(yōu)選地足夠大，以在疊片上施加彈性屈曲，也即，可逆屈曲，此屈曲隨應力的釋放而消失。在本發(fā)明的非線性動力吸收器的一個優(yōu)選實施方案中，疊片受到壓縮應力，壓縮應力在疊片上施加彈性屈曲。

屈曲后的疊片(也即，在疊片平面中受到壓縮應力)具有兩個穩(wěn)定平衡點，而不是像未受壓縮應力的疊片，只具有單個穩(wěn)定平衡點。

疊片的彈性屈曲不應過大。這是因為，當屈曲度超過某個值時，兩個穩(wěn)定平衡位置之間的轉(zhuǎn)變變得太難，這樣非線性彈簧只會在單個穩(wěn)定平衡位置周圍振蕩。

彈性屈曲有利地小于10%、優(yōu)選地小于6%、尤其小于4%，此百分比是相對于非線性彈簧功能的中間部分的長度表達的。

還可以通過表示變形量與疊片厚度的比例來表達疊片屈曲。在本發(fā)明的非線性動力吸收器中，此比例優(yōu)選地小于100，尤其小于50，理想地小于30。

在本發(fā)明的非線性動力吸收器的一個優(yōu)選實施方案中，緊固構(gòu)件由單一件構(gòu)成，該單一件包括用于嵌入疊片的末端部分的兩個嵌入構(gòu)件。此實施方案在使用屈曲疊片的情況下尤其是有利的，因為這樣無需將緊固構(gòu)件附接至主要結(jié)構(gòu)，就能調(diào)節(jié)疊片中的壓縮應力。

理論上，緊固構(gòu)件也可以由兩個不同的零件構(gòu)成，每個零件都包括疊片的一個末端的嵌入構(gòu)件。此實施方案在將非線性動力吸收器緊固在要減輕振動的主要結(jié)構(gòu)上之后必須調(diào)節(jié)疊片中的應力。

緊固構(gòu)件應由具有足夠剛性的材料制成，從而將振動從主要結(jié)構(gòu)傳遞至構(gòu)成疊片的非線性彈簧。該材料優(yōu)選地是彈性模量足夠高(一般大于1.5 GPa)的聚合物材料。

本申請人執(zhí)行的試驗使用的非線性動力吸收器的緊固構(gòu)件由ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)制成。ABS是一種熱塑基質(zhì)的雙相(丙烯腈-苯乙烯)復合材料，其中散布著彈性體(丁二烯)結(jié)節(jié)。這些結(jié)節(jié)在非線性動力吸收器的振動能量的消散方面起到重要作用。另一種可能特別適合形成緊固構(gòu)件的這種類型的雙相材料是抗沖擊聚苯乙烯，這是一種聚(苯乙烯-b-丁二烯)嵌段共聚物，其中聚丁二稀彈性體結(jié)節(jié)散布在聚苯乙烯基質(zhì)中。

在本發(fā)明的一個吸引人的實施方案中，緊固構(gòu)件因此由雙相聚合物材料形成，這種材料包括剛性熱塑基質(zhì)(高楊氏模量)和散布在熱塑基質(zhì)中的彈性體相(低楊氏模量)。

本發(fā)明的動力吸收器優(yōu)選地具有垂直于疊片的縱軸線的對稱平面。

在動力吸收器的一個特別優(yōu)選的實施方案中，緊固構(gòu)件包括從共用的底部對稱地延伸的兩個分支。用于嵌入疊片末端部分的兩個構(gòu)件于是分別位于兩個分支上，優(yōu)選地在每個分支的末端處或末端旁邊，在相互對稱的兩個位置上。

非線性動力吸收器可以具有例如U形的、Y形的或者V形的整體形狀，從而準許在U形、Y形或V形的底部處緊固在支座上。

在一個有利的實施方案中，這兩個嵌入構(gòu)件是兩個夾鉗。

緊固在中間部分上的質(zhì)點的重量有利地在1 g與200 g之間，優(yōu)選地在2 g與100 g之間，尤其在3 g與50 g之間，且理想地在5 g與30 g之間。

疊片的中間部分的長度有利地在1 cm與50 cm之間、優(yōu)選地在3 cm與30 cm之間，且尤其在5 cm與20 cm之間。

疊片的中間部分的厚度有利地在0.05 mm與5 mm之間、優(yōu)選地在0.1 mm與3 mm之間，尤其在0.5 mm與2 mm之間。

最后，疊片的中間部分的寬度有利地在1 mm與50 mm之間、優(yōu)選地在2 mm與30 mm之間，尤其在5 mm與20 mm之間。

由本申請人構(gòu)造的和試驗的、且下文中更詳細說明的非線性動力吸收器包括疊片，疊片的中間部分的長度為12 cm，厚度為0.1 mm，寬度為0.5 cm，一個3 g的質(zhì)點緊固在疊片的中心上。

如介紹中所述，本發(fā)明的非線性動力吸收器用于改善被包括至少一個薄板的墻壁隔開的兩個空間之間的隔音。此墻壁可以將建筑物的內(nèi)部與外部隔開，或者可以將建筑物或鐵路交通工具、海上交通工具、機動交通工具或航空交通工具的兩個房間隔開。

此墻壁可以是薄板形狀的建筑元件，或者可以包括多個建筑元件，每個元件包括至少一個薄板。在所有例子中，非線性動力吸收器都通過緊固構(gòu)件直接緊固在建筑元件的這個或這些薄板上。

因此本申請的另一個目的是一種建筑元件，它包括：

-至少一個剛性材料薄板；以及

-至少一個如上所述的非線性動力吸收器，起通過動力吸收器的緊固構(gòu)件以剛性方式緊固在薄板上。

本申請的另一個目的是一種隔墻或墻壁，尤其是建筑物或或鐵路交通工具、海上交通工具、機動交通工具或航空交通工具的隔墻或墻壁，其包括帶有如上所述的非線性動力吸收器的這樣的建筑元件。此隔墻或墻壁優(yōu)選地是雙層隔墻或雙層墻壁。

形成薄板的剛性材料的楊氏模量一般大于0.1 GPa、優(yōu)選地大于1 GPa，尤其大于或等于3 GPa。

薄板可以由從例如玻璃、混凝土、金屬、石膏、塑料材料、木材或復合材料中選出的材料制成。

在一個優(yōu)選實施方案中，建筑元件包括至少一個石膏板。

在另一個優(yōu)選實施方案中，該建筑元件構(gòu)成雙層隔墻的一部分，也即，該建筑元件包括兩個相互平行的薄板，這兩個薄板通過中間空間(也稱為氣隙)隔開。實際上，這些包括兩個通過氣隙聯(lián)接的薄板的雙層隔墻會造成如下問題：在對應于系統(tǒng)的“呼吸”頻率的低頻頻域中，透音度很高。透音度的這個問題在這兩個薄板是石膏板的情況下尤其明顯，這些薄板一般緊固在軌道及/或立柱(優(yōu)選地是金屬)的框架上。

在兩個薄板之間限定的中間空間優(yōu)選地至少部分地用隔音材料填充。

一般而言，非線性動力吸收器優(yōu)選地緊固在薄板上，使得動力吸收器的疊片的平面基本上平行于薄板的平面。

該建筑元件可以包括一個或多個非線性動力吸收器。出于明顯的審美方面的原因，在建筑元件構(gòu)成雙層隔墻的一部分的情況下，非線性動力吸收器優(yōu)選地緊固在面朝雙層隔墻內(nèi)部的至少一個表面上。

然而，在現(xiàn)有墻壁的隔音設計的背景下，吸音器可以緊固在墻壁的容易接近的可見表面上。

為了優(yōu)化非線性動力吸收器的效率，需要將非線性動力吸收器安裝在薄板上薄板振幅最大的位置上。因為，能量泵吸直到超過某個振動能量閾值水平才會開始，并且非線性動力吸收器用于隔音的主要難點是要盡可能降低這個觸發(fā)閾值。因此，需要將非線性動力吸收器安裝在薄板上薄板振蕩最強的位置上。此位置一般在薄板表面離固定邊緣最遠的半邊上。

當雙層隔墻的中間空間中填充著隔離材料時，非線性動力吸收器可以容納在薄板內(nèi)表面上鑿出的凹部中，或者在隔離材料中鑿出的凹部中，使得它不會與隔離材料接觸。在另一個變型中，可以只用隔離材料填充中間空間的一部分，而非線性動力吸收器可以安裝在未填充的部分中。

最后，本發(fā)明的目的是使用如下所述的非線性動力吸收器或容納著這樣的非線性動力吸收器的建筑元件來降低墻壁的透音度。

此使用包括例如一種降低墻壁的透音度的方法，該墻壁將建筑物的兩個房間隔開或者將建筑物的內(nèi)部與外部隔開，這包括將根據(jù)本發(fā)明的非線性動力吸收器緊固在所述墻壁上，優(yōu)選地緊固在所述墻壁的一個薄板上。

當然，上述所有關于非線性動力吸收器或包括非線性動力吸收器的建筑元件的實施方案還適用于使用這些物品來降低墻壁的透音度。

附圖說明

現(xiàn)在參照附圖更詳細地說明本發(fā)明，附圖中：

圖1是示出雙層隔墻的消音指數(shù)如何隨著要被阻止穿過墻壁的聲音的頻率而變的曲線圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的非線性動力吸收器的透視圖，

圖3是圖2的根據(jù)本發(fā)明的動力吸收器的從上面看的視圖，圖中示出了非線性彈簧功能的疊片的兩個穩(wěn)定平衡位置；

圖4示出了包括根據(jù)本發(fā)明的非線性動力吸收器的雙層隔墻的剖視圖。

具體實施方式

圖1已經(jīng)在介紹中進行了討論。其示出了本發(fā)明要解決的技術問題，也即雙層墻壁在稱為“呼吸”頻率的低頻(大約100-150 Hz)下的透音度(f₀)增加，對應于雙層墻壁的兩個薄板的反相諧振。

圖2中示出了本發(fā)明的非線性動力吸收器9，它包括扁平Y(jié)形的緊固構(gòu)件4。此緊固構(gòu)件包括底部7，兩個分支6從底部7對稱地延伸。每個分支6的末端上設有嵌入構(gòu)件5，嵌入構(gòu)件5的夾緊可以通過螺絲來調(diào)節(jié)。兩個嵌入構(gòu)件5固持金屬疊片1的末端部分(圖中看不到)。當疊片的中間部分2b因為非線性動力吸收器9緊固在其上的主要諧振器(未示出)的振動而被激活時，疊片的中間部分2b可以自由振動。小質(zhì)點3緊固在疊片1的中心上。

圖3示出了同一個非線性動力吸收器，它的疊片1受到壓縮應力，該壓縮應力是沿著疊片的縱向?qū)ΨQ軸線施加的。此壓縮應力的生成是因為疊片的中間部分2b比兩個嵌入構(gòu)件分開的距離更長，疊片的中間部分2b包括在嵌入在嵌入構(gòu)件5中的兩個末端部分2a之間。此壓縮應力在疊片1上施加屈曲。這兩張圖每個都示出了屈曲后的疊片1的一個穩(wěn)定平衡位置。在工作過程中，也即，當根據(jù)本發(fā)明的非線性動力吸收器牢固地緊固在受到充分振動的薄板上時，疊片可以從一個穩(wěn)定平衡位置轉(zhuǎn)入另一個穩(wěn)定平衡位置。

最后，圖4用非常示意性的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的非線性動力吸收器9，它緊固在構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的建筑元件的一部分的薄板11的凹部中。在這里此建筑元件是由兩個薄板11構(gòu)成的雙層隔墻，在這兩個薄板11之間限定了中間空間8，其中填充著隔離材料10。非線性動力吸收器緊固在薄板上，使得疊片的平面(圖中看不到)基本上平行于薄板11的整體平面。