本發(fā)明屬于航空、航天與船舶振動噪聲控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及一種基于局域共振帶隙特性、具有低頻抑振性能的周期結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

機(jī)械噪聲是航空、航天及船舶等低速航行時(shí)輻射噪聲的主要成分。特別是對于低頻噪聲，相比于中高頻，其具有傳播距離更遠(yuǎn)且線譜特征穩(wěn)定的特點(diǎn)，不利于航行器的隱蔽性與安全保障。而傳統(tǒng)的減隔振降噪技術(shù)多針對中高頻振動與聲輻射控制，低頻振動噪聲問題目前仍無法得到有效解決。

機(jī)械噪聲主要由機(jī)械振動引起，通過抑振處理可以達(dá)到降噪效果。由于彈性波在周期結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)存在帶隙特性，即在帶隙頻率范圍內(nèi)彈性波的傳播被禁止，因此利用周期結(jié)構(gòu)抑制系統(tǒng)振動有望成為一種新型的減振降噪方法。隨著周期結(jié)構(gòu)材料組分和幾何尺寸的變化，周期結(jié)構(gòu)的帶隙頻率范圍以及帶隙內(nèi)衰減特性也將改變。因此，根據(jù)周期結(jié)構(gòu)的這種特性，通過改變周期結(jié)構(gòu)形式或其內(nèi)部材料組分參數(shù)，如材料彈性常數(shù)、密度以及阻尼等，可得到具有不同帶隙特性的抑振周期結(jié)構(gòu)。

根據(jù)波長與晶格常數(shù)的比例和帶隙頻率的對應(yīng)關(guān)系，帶隙可分為Bragg散射型(帶隙頻率所對應(yīng)的波長與晶格常數(shù)處于同一量級)和局域共振型(帶隙頻率所對應(yīng)的波長可遠(yuǎn)大于晶格常數(shù))。Bragg散射型周期結(jié)構(gòu)難以在較小的周期尺寸條件下得到低頻帶隙，因此在低頻減振降噪方面難以得到應(yīng)用；而局域共振型周期結(jié)構(gòu)的帶隙頻率與周期胞元中振子元件固有的振動特性密切相關(guān)，帶隙頻率可以設(shè)計(jì)到較低頻率進(jìn)而解決低頻抑振難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種局域共振低頻帶隙抑振周期結(jié)構(gòu)，通過在彈性結(jié)構(gòu)上安裝抑振周期結(jié)構(gòu)，達(dá)到減振降噪目的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種局域共振低頻帶隙抑振周期結(jié)構(gòu)，包括周期分布的質(zhì)量元件、彈性元件和基體。周期胞元包括金屬結(jié)構(gòu)即質(zhì)量元件，質(zhì)量元件側(cè)面包圍一圈橡膠或硅膠材料環(huán)狀結(jié)構(gòu)即彈性元件，質(zhì)量元件周向側(cè)面為帶有一定形狀的曲面，并且彈性元件與質(zhì)量元件之間相互貼合，然后將彈性元件包圍質(zhì)量元件作為整體周期排列在彈性結(jié)構(gòu)基體中，其中彈性元件與基體之間也是相互貼合的。

所述局域共振低頻帶隙抑振周期結(jié)構(gòu)，質(zhì)量元件截面和基體開孔形狀可以是圓形、三角形、四邊形、六邊形等，也可以是不規(guī)則形狀。

所述局域共振低頻帶隙抑振周期結(jié)構(gòu)，周期分布形式可以是矩形、菱形或三角形排列等多種形式。

所述局域共振低頻帶隙抑振周期結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)周期結(jié)構(gòu)的彈性基體上、下表面可涂覆高阻尼材料或消聲材料。

本發(fā)明抑振周期結(jié)構(gòu)相對于經(jīng)典彈性結(jié)構(gòu)而言，主要特點(diǎn)如下：

1、彈性波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播存在帶隙特性。在帶隙頻率范圍內(nèi)，彎曲波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播得到有效抑制；

2、周期結(jié)構(gòu)的局域共振帶隙，主要來源于周期胞元共振特性與彎曲波傳播特性的相互作用，而周期胞元共振特性是彈性元件和質(zhì)量元件之間的剪切作用產(chǎn)生的；

3、合理選擇彈性元件與質(zhì)量元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)，如采用彈性模量小的彈性元件或金屬密度大的質(zhì)量元件等，可以使帶隙頻率向低頻拓展，從而實(shí)現(xiàn)更低頻率減振目的；

4、提高彈性元件的阻尼，可以增強(qiáng)彈性元件和質(zhì)量元件之間剪切作用的能量消耗，而質(zhì)量元件周向側(cè)面的形狀設(shè)計(jì)，由于增大了其和彈性元件的接觸面積，也有利于增大剪切過程中的阻尼作用，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的寬頻帶抑振性能，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。

附圖說明

圖1：周期胞元填充結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2：周期胞元填充結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

圖3：本發(fā)明抑振周期結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4：抑振周期結(jié)構(gòu)基體激勵區(qū)與拾振區(qū)的振動響應(yīng)對比。

圖5：抑振周期結(jié)構(gòu)與對比結(jié)構(gòu)拾振區(qū)振動響應(yīng)對比。

圖中：1—質(zhì)量元件；2—彈性元件；3—基體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，周期胞元包括金屬結(jié)構(gòu)即質(zhì)量元件1，質(zhì)量元件1側(cè)面包圍一圈橡膠或硅膠材料環(huán)狀結(jié)構(gòu)即彈性元件2，質(zhì)量元件1周向側(cè)面為帶有一定形狀的曲面，并且彈性元件2與質(zhì)量元件1之間相互貼合，如圖2所示；然后將基本胞元周期排列在彈性結(jié)構(gòu)基體3中，其中彈性元件2與基體3之間也是相互貼合的，最終得到的抑振周期結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于周期結(jié)構(gòu)的局域共振帶隙特性，彎曲波的傳播會受到抑制。抑振作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是抑振周期結(jié)構(gòu)基體一端(基體無周期胞元分布的區(qū)域，稱為基體激勵區(qū))的振動經(jīng)過周期結(jié)構(gòu)傳遞到基體另一端(基體另一無周期胞元分布的區(qū)域，稱為基體拾振區(qū))得到了抑制，二是抑振周期結(jié)構(gòu)拾振區(qū)的平均振動響應(yīng)與經(jīng)典彈性結(jié)構(gòu)(對比結(jié)構(gòu))相比得到了降低。在本具體實(shí)施例中，抑振周期結(jié)構(gòu)基體尺寸為1000mm×455mm×4mm，材料為鋼，中間周期排列圓孔個(gè)數(shù)為8×7，孔徑50mm，孔間距65mm；質(zhì)量元件直徑30mm，材料為鉛；彈性元件選用模量為10⁷Pa、損耗因子為0.2的橡膠材料?；w一端施加法向激勵，給出周期結(jié)構(gòu)基體激勵區(qū)、拾振區(qū)的平均振動響應(yīng)對比曲線，以及周期結(jié)構(gòu)、對比結(jié)構(gòu)的拾振區(qū)振動響應(yīng)對比，分別如圖4、圖5所示。由圖可見，周期結(jié)構(gòu)具有明顯的帶隙特性，基于局域共振帶隙特性的周期結(jié)構(gòu)具有良好的低頻抑振性能。