一種低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低頻隔振的復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，包括自下而上依次設(shè)置的下均勻?qū)?、中間層以及上均勻?qū)?；所述的中間層為有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)包括基體以及若干嵌入基體的散射體，散射體分別與上均勻?qū)雍拖戮鶆驅(qū)舆B成一體，下均勻?qū)?、散射體以及上均勻?qū)樱?）均為橡膠類材料制成。散射體與上下兩層組合成為一個不可分開的整體，它們?yōu)橥徊牧??；w需要加以固定。所述結(jié)構(gòu)對于沿著板入射的振動和垂直于的低頻振動都可以通過設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻隔。該結(jié)構(gòu)可用于幾百赫茲以內(nèi)頻率范圍內(nèi)的振動控制，可作為建筑基底與內(nèi)壁、艦船、高鐵等工程的低頻隔振設(shè)施。
【專利說明】一種低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于振動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]動物理量時而增大時而減小的反復(fù)變化即為振動。振動在自然界廣泛存在。振動具有可以利用的一面，如可采用振動篩選、振動運(yùn)輸以及振動理論進(jìn)行測量傳感器等的設(shè)計。但是，振動對于大多數(shù)的工程結(jié)構(gòu)以及生物體都是有害的，它常常能造成機(jī)械結(jié)構(gòu)的惡性破壞和失效。超標(biāo)的振動會縮短機(jī)械壽命，降低機(jī)械及電子產(chǎn)品的使用性能，甚至成為現(xiàn)代工業(yè)的污染源之一。
[0003]在實際生活環(huán)境中，振動源大多分布在中低頻范圍(O-1KHz )。其中，低頻振動由于能量衰減緩慢，穿透力強(qiáng)，傳播距離遠(yuǎn)而難以實施阻礙和控制，對工業(yè)生產(chǎn)，建筑結(jié)構(gòu)以及人體都產(chǎn)生了極大的危害。隨著科技的發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)(如航天產(chǎn)品、橋梁建筑、地鐵高鐵以及艦船類等)的尺寸增大，其剛度減弱，固有頻率也相應(yīng)地降低，低頻振動容易造成其結(jié)構(gòu)和大中型設(shè)備故障。因此，低頻振動的控制問題成為了工程中常見并且亟待解決的問題之一。雖然人類能對IHz到IOOKHz的振動進(jìn)行感知，但是只有低頻區(qū)間內(nèi)的振動對人類的影響最大。據(jù)研究，低頻振動能誘發(fā)人類的肢體和器官的共振，因此許多嚴(yán)重的疾病都與低頻振動的影響息息相關(guān)，對人類的生理和心理健康造成了較大的傷害。早在1994年，李盈忠等人就提出，低頻振動能夠?qū)е氯梭w器官失衡，影響人的視力、操作能力、平衡穩(wěn)定性以及主觀感覺。隨著振幅的增加，人體不適明顯增強(qiáng)，還將導(dǎo)致心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)以及運(yùn)動系統(tǒng)的失調(diào)與障礙。
[0004]振動控制的技術(shù)主要包含兩大類，即減振技術(shù)和隔振技術(shù)。隔振就是在振源和需要防振的結(jié)構(gòu)之間防止一定數(shù)量具有彈性和阻尼性能的隔振裝置，將振源與基礎(chǔ)之間或者是基礎(chǔ)與需要防振的結(jié)構(gòu)之間的剛性連接轉(zhuǎn)化為柔性連接，以阻隔或減弱振動能量的傳遞。傳統(tǒng)的振動控制技術(shù)如普通的橡膠隔振器等具有一定的局限性，尤其是在低頻振動的控制方面，難以做到用小尺寸結(jié)構(gòu)阻礙大波長的振動。這一些隔振器的靜態(tài)剛度與材料本身參數(shù)相關(guān)，并且也與隔振器的形狀、約束或自由面積以及高度等設(shè)計參數(shù)有關(guān)。隨著參數(shù)設(shè)計的變化，靜態(tài)剛度也往往隨之大范圍變化，直接影響到隔振器的效果。因此，對于墻面、地面振動的控制，在低于1000Hz的范圍內(nèi)難以用薄層大面積隔振。所以，設(shè)計一種在低頻范圍內(nèi)能夠有效隔除振動的薄層結(jié)構(gòu)成為了一個焦點和難點。
[0005]近年來，聲子晶體這一種彈性散射體周期排列的復(fù)合功能材料因為其良好的帶隙特性引起了廣泛的關(guān)注。美國海軍研究試驗所、歐洲信息社會技術(shù)研究委員會、中國自然科學(xué)基金等都對聲子晶體的研究與應(yīng)用進(jìn)行了大力支持。聲子晶體能夠與波傳播行為(如散射、干涉)相互作用，同時利用結(jié)構(gòu)的周期性和局域共振等特性，在一定的頻段范圍內(nèi)形成禁帶，阻礙這一范圍內(nèi)的波在結(jié)構(gòu)的各個方向的傳播，可以起到濾波的作用，從而可以用其進(jìn)行隔聲或隔振。根據(jù)帶隙形成的原因，可將聲子晶體分為兩類=Bragg散射型和局域共振型。這兩種帶隙的形成均是結(jié)構(gòu)周期性和單散射體的Mie散射共同作用的結(jié)果，其中，Bragg散射型聲子晶體中，各元胞之間的相互作用起著主要作用，而在局域共振型聲子晶體中，單個散射體的共振起到了主導(dǎo)作用。Bragg散射型聲子晶體第一帶隙中心頻率對應(yīng)的彈性波波長為晶格常數(shù)的2倍，所以，如果用這一類聲子晶體進(jìn)行低頻的波傳播控制，結(jié)構(gòu)將會變得十分巨大，這是不符合實際的。這樣，局域共振型聲子晶體在低頻上的作用引起了人們的重視。
[0006]在2000年的Science期刊上，劉正猷等人首次提出了局域共振型聲子晶體的概念。文中提出用硅橡膠包裹鉛球按照簡單立方晶格排列在環(huán)氧樹脂基體中，理論和實驗都證實這一晶格常數(shù)為2cm的結(jié)構(gòu)具有400Hz左右的低頻帶隙，比相同尺寸的Bragg散射型聲子晶體的第一帶隙頻率降低了兩個數(shù)量級。這一發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了 “小尺寸控制大波長”，這樣一類聲子晶體的帶隙只有單個散射體的局域共振特性決定，而與他們的排列方式無關(guān)。但是這一裝置具有明顯的缺點:因為鉛球密度很大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)很重而難以運(yùn)用到實際結(jié)構(gòu)中，而用硅橡膠包裹鉛球再植入基體中導(dǎo)致制作工藝復(fù)雜難以成型。
[0007]傳統(tǒng)的局域共振結(jié)構(gòu)一般只能在1000Hz以上區(qū)域產(chǎn)生較窄的帶隙。桿狀、梁狀、層狀、板狀、膜狀等結(jié)構(gòu)形式的聲子晶體被設(shè)計用于獲得更低更寬頻段的帶隙。其中，Pennec, Oudich和Hsu等人都證明了在薄板上附加周期排列的圓柱體形式的聲子晶體在O到IO3Hz這一數(shù)量級頻率范圍內(nèi)得到了較為低頻共振帶隙。但是，絕大多數(shù)現(xiàn)有的聲子晶體結(jié)構(gòu)仍然不能有效阻隔IOOHz以下的低頻振動。并且，傳統(tǒng)的聲子晶體板狀結(jié)構(gòu)由于其周期性僅分布在板平面內(nèi)，對于垂直于板的振動作用不大，難以投入實際應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能夠在幾百赫茲范圍內(nèi)產(chǎn)生一個較寬禁帶，而且能夠在垂直于板的方向上低于500Hz的頻率范圍內(nèi)起到良好的阻礙振動波傳播作用。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:包括自下而上依次設(shè)置的下均勻?qū)?、中間層以及上均勻?qū)?；所述的中間層為有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)包括基體以及若干嵌入基體的散射體，散射體分別與上均勻?qū)雍拖戮鶆驅(qū)舆B成一體，下均勻?qū)?、散射體以及上均勻?qū)泳鶠橄鹉z類材料制成。
[0010]所述的下均勻?qū)?、中間層以及上均勻?qū)涌偤穸葹?.3cm-l.5cm。
[0011]所述的中間層的厚度為0.2-1.4cm。
[0012]所述的下均勻?qū)印⒅虚g層以及上均勻?qū)訛闄M截面均為面積不超過ImXlm的正方形。
[0013]所述的散射體的形狀為圓柱體，散射體以正方形陣列周期排布的方式嵌入基體中。
[0014]所述的散射體在基體中的填充率為10%_78%。
[0015]所述的有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的元胞晶格常數(shù)為0.5-3cm。
[0016]所述的橡膠類材料的楊氏模量在IO5-1O7Pa量級。
[0017]所述的有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的基體材料選用楊氏模量在IO9Pa量級以上、密度在3000kg/2以下的金屬或聚合物材料。
[0018]本發(fā)明每個散射體與上均勻?qū)雍拖戮鶆驅(qū)舆B成一體，因此，上均勻?qū)雍拖戮鶆驅(qū)訕?gòu)成了聯(lián)系有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)相鄰元胞的彈性層。這樣一種結(jié)構(gòu)能夠使散射體本身Mie散射和散射體之間的相互作用結(jié)合起來，且波在有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)中的傳播被調(diào)制，在數(shù)百赫茲范圍內(nèi)都受到阻礙，形成一個超低頻寬頻段的帶隙。而在本發(fā)明所形成的超低頻寬頻段的帶隙內(nèi)幾百赫茲的波傳播受阻，因此，本發(fā)明能夠在使用時產(chǎn)生良好的隔振的效果。而在垂直于板的方向，由于橡膠的耗能效果與有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合，在500Hz以下的低頻產(chǎn)生了數(shù)個禁帶，因此，能夠進(jìn)一步對低頻減振產(chǎn)生了一定效果。
[0019]另外，本發(fā)明在使用時，振動作用本發(fā)明的一個側(cè)面時，可以在與該側(cè)面相鄰的另一個側(cè)面上固定約束，也可以僅將有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的基體用固支的方式進(jìn)行約束，這樣能夠保證本發(fā)明的散射體在整個結(jié)構(gòu)中既提供了質(zhì)量，又提供了振子彈性，形成了一個局域振子，起到增強(qiáng)局域共振和固定結(jié)構(gòu)的作用，同時也保證了該結(jié)構(gòu)能夠固定在實際應(yīng)用環(huán)境中，且由于基底固定，可將基體按地面處理。
[0020]進(jìn)一步,本發(fā)明厚度僅為0.3cm-l.5cm,尺寸較小且可以設(shè)計調(diào)節(jié),該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于建筑內(nèi)壁隔振、火車艦船隔振等實際問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為中間層的二維平面圖；
[0023]圖3為有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的每個元胞的縱面剖視圖；
[0024]圖4為舉例說明元胞晶格常數(shù)為3cm,散射體半徑為Icm,上下兩層板厚為0.2cm,中間層為0.8cm的結(jié)構(gòu)整體在理想情況(無限晶格)的能帶圖；
[0025]圖5為與圖4參數(shù)一致的聲子晶體結(jié)構(gòu)在板內(nèi)單元數(shù)目為IOX 10情況下沿板平面方向入射振動的頻率響應(yīng)函數(shù)圖；
[0026]圖6為與圖4參數(shù)一致的聲子晶體結(jié)構(gòu)在板內(nèi)單元數(shù)目為IOX 10情況下垂直于板平面入射振動的頻率響應(yīng)函數(shù)圖；
[0027]其中，1、上均勻?qū)樱?、中間層，3、下均勻?qū)樱?、散射體，5、基體。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明的分為3層，自下而上依次設(shè)置的下均勻?qū)?、中間層2以及上均勻?qū)?，下均勻?qū)?、中間層2以及上均勻?qū)?總厚度為0.3cm-l.5cm。該夾層板可依據(jù)實際環(huán)境設(shè)置面積，但是由于單塊板過大將影響固定約束對波在結(jié)構(gòu)中傳播的起到的作用，下均勻?qū)?、中間層2以及上均勻?qū)?為橫截面均為面積不超過ImXlm的正方形。
[0030]如圖2-3所示，中間層為2為有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)包括基體5以及若干以正方形陣列周期排布的方式嵌入基體5的散射體4，散射體4形狀呈圓柱體，且散射體4分別與上均勻?qū)?和下均勻?qū)?連成一體；散射體4在基體5中的填充率為10%-78%。有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的元胞晶格常數(shù)(即兩個相鄰元胞中心的間距)為
0.5-3cm，散射體的尺寸可根據(jù)不同的禁帶范圍需求以及晶格常數(shù)的大小進(jìn)行設(shè)定。
[0031]其中，下均勻?qū)?、散射體4以及上均勻?qū)?都是采用硅膠材料制成的，硅膠材料的材料參數(shù)為楊氏模量在IO5-1O7Pa量級。中間層2的基體材料的材料參數(shù)為楊氏模量在IO9Pa量級以上、密度在3000kg/2以下的金屬或聚合物材料制成，金屬材料具體為鋁，聚合物材料具體為塑料。
[0032]如圖1所示，在振動作用在A面時，可以在B面加上固定約束以起到增強(qiáng)局域共振和固定結(jié)構(gòu)的作用，也可以只在中間層位于B面的部分用固支的方式進(jìn)行約束，保證本發(fā)明的散射體在整個結(jié)構(gòu)中既提供了質(zhì)量，又提供了振子彈性，形成了一個局域振子，起到增強(qiáng)局域共振和固定結(jié)構(gòu)的作用。
[0033]本發(fā)明材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)并不是限定的，可以根據(jù)工程實際環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計改變，因為聲子晶體本身也是可以靠結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)的變化來調(diào)制禁帶的范圍的。因此，此類結(jié)構(gòu)能夠廣泛應(yīng)用于低頻隔振。
[0034]下面從材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步限定，給出本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0035]本發(fā)明的包括自下而上依次設(shè)置的下均勻?qū)?、中間層2以及上均勻?qū)? ;所述的中間層2為有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)包括基體5以及若干以正方形陣列周期排布的方式嵌入基體5的散射體4，散射體4分別與上均勻?qū)?和下均勻?qū)覫連成一體，下均勻?qū)?、散射體4以及上均勻?qū)?由相同材料制成。
[0036]本發(fā)明的下均勻?qū)?、散射層4以及上均勻?qū)?的材料均選用密度為:P =1300kg.m_3，楊氏模量為E=L 175 X IO5Pa的硅橡膠沖間層2的基體材料優(yōu)選為塑料，其材料參數(shù)為:密度P=1190kg*m_3，楊氏模量為E=2.2X109Pa，基底是固定的；有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的元胞晶格常數(shù)為3cm，散射體半徑為1cm，下均勻?qū)?、中間層2以及上均勻?qū)?的總厚度為1.2cm，且下均勻?qū)覫和上均勻?qū)?的厚度均為0.2cm，中間層2的厚度為
0.8cm,散射體4在基體5中的填充率為34.9%。
[0037]將本實施例所限定的結(jié)構(gòu)作為研究對象算出其在不可約的布里淵區(qū)上的能帶圖。如圖 4 所示，在 0-187Hz，188-286Hz, 309-315Hz, 324-355Hz, 356-397Hz 這些區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了明顯的完全禁帶，即在這些頻率范圍內(nèi)，任一方向上的波傳播都是禁止的。其中，前兩階禁帶范圍較寬且相連，可以大范圍降低低頻區(qū)域內(nèi)的振動，最低頻甚至低至了 0Hz。圖4中由rxM圍成的陰影部分為不可約布里淵區(qū)。
[0038]如圖5所示，從圖5的頻率響應(yīng)函數(shù)中也可以印證圖4能帶圖的結(jié)構(gòu)。圖5中計算的結(jié)構(gòu)單元數(shù)目為10X10。當(dāng)有限聲子晶體的元胞數(shù)目足夠時，它與無限結(jié)構(gòu)的波傳播特性十分接近。從圖 5 中可看出，0-187HZ，188-286HZ，309-315Hz，324_355Hz，356_397Hz 頻率響應(yīng)函數(shù)數(shù)值特別低，甚至達(dá)到了 _350dB，證明波在這些區(qū)域的傳播受到了阻礙，幾乎不能通過。而在0-400HZ區(qū)域內(nèi)的尖銳的峰值所對應(yīng)的頻率也恰好與圖4中能帶對應(yīng)頻率相等，足以互相證明圖4和圖5兩者的正確性。這樣明顯的阻礙效果能夠運(yùn)用到阻隔振動的結(jié)構(gòu)中，強(qiáng)烈降低振動幅值，極大降低振動的危害性。
[0039]如圖6所示，0-90Hz，230-300Hz以及320_410Hz之間，頻響函數(shù)可低至-1OdB左右。這是由于聲子晶體對波傳播的調(diào)制與橡膠層和散射體對振動能量的損耗引起的。雖然降低幅值不如圖5明顯，但是依據(jù)工程實踐需求，厚度僅1.2cm (可低至3_)的結(jié)構(gòu)能夠阻隔如此低頻范圍內(nèi)的振動，是可以對其加以利用的。
[0040]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有易效果在于:[0041]1、相對于低頻隔振中頻率的波長，該結(jié)構(gòu)尺寸比其波長低了幾個數(shù)量級，更符合工程實際應(yīng)用。
[0042]2、本發(fā)明有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的基體材料參數(shù)為楊氏模量在IO9Pa量級以上、密度在3000kg/2以下，因此可以選取適當(dāng)?shù)幕w材料，減輕結(jié)構(gòu)重量。
[0043]3、本發(fā)明的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)均能在一定范圍內(nèi)通過調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)改變禁帶范圍。
[0044]4、對沿著板平面入射的低頻振動阻礙效果明顯，在低于400Hz的范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生數(shù)個透射極低的較寬的完全禁帶，第一階禁帶甚至低至了 0Hz。
[0045]5、本發(fā)明低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)厚度僅為0.3-1.5cm時，便可以隔絕垂直于板入射的低頻振動，在O-1OOOHz頻率范圍中可通過調(diào)制結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料產(chǎn)生數(shù)個類似禁帶，使得該方向上的振動傳播受阻，其具體表現(xiàn)足以用于工程實際中。
[0046]6、本發(fā)明在制備時，先取熔點較高的材料采取鉆孔、銑等方式成型形成帶有通孔的骨架，再制取與骨架面積大小一致的方形模，將骨架至于其中，澆注熔點比骨架低的橡膠類材料入模直至填充骨架并覆蓋骨架兩面，冷卻后取出，制備完成，因此，本發(fā)明設(shè)計簡單，易于加工和制造。
【權(quán)利要求】
1.一種低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括自下而上依次設(shè)置的下均勻?qū)?I)、中間層(2)以及上均勻?qū)?3);所述的中間層(2)為有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)，有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)包括基體(5)以及若干嵌入基體(5)的散射體(4)，散射體(4)分別與上均勻?qū)?3)和下均勻?qū)?I)連成一體，下均勻?qū)?I)、散射體(4)以及上均勻?qū)?3)均為橡膠類材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的下均勻?qū)?I)、中間層(2)以及上均勻?qū)?3)總厚度為0.3cm-l.5cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的中間層(2)的厚度為 0.2-1.4cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的下均勻?qū)?I)、中間層(2)以及上均勻?qū)?3)為橫截面均為面積不超過ImX Im的正方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的散射體(4)的形狀為圓柱體，散射體(4)以正方形陣列周期排布的方式嵌入基體(5)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的散射體(4)在基體(5)中的填充率為10%-78%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的元胞晶格常數(shù)為0.5-3cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的橡膠類材料的楊氏模量在IO5-1O7Pa量級。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的低頻隔振復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的有限二維聲子晶體結(jié)構(gòu)的基體材料選用楊氏模量在IO9Pa量級以上、密度在3000kg/2以下的金屬或聚合物材料。
【文檔編號】B32B25/02GK103514873SQ201310419371
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】吳九匯, 沈禮, 劉彰宜, 張思文 申請人:西安交通大學(xué)