一种基于双周期禁带特性的低频宽频抑振结构

摘要

本发明涉及一种基于双周期禁带特性的低频宽频抑振结构，属于机械振动与噪声控制领域，特别是航空、航天与船舶振动噪声控制技术领域。抑振结构由相同胞元周期复合而成，其中单个胞元包含四层结构，由下而上依次为匀质贴附层、周期夹芯层、匀质约束层和匀质表面层。所述结构单个胞元的周期夹芯层由A、B两种材质的材料组成，在A材质与B材质构成的夹芯层中心分别开设通孔，一个通孔内分别安装有一个局域共振单元且局域共振单元由上下两个弹簧元件与中间的质量元件连接组成，其中两个弹簧元件分别与下侧的匀质贴附层和上侧的匀质约束层连接。本发明所提供的周期抑振结构可在低频宽频范围内产生抑振效果，有助于解决现有抑振技术在低频抑振效果差的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双周期禁带特性的低频宽频抑振结构，属于机械振动与噪声控制领域，特别是航空、航天与船舶振动噪声控制技术领域。

背景技术

机械结构在受到激励后会产生振动，这是一种普遍的物理现象。虽然振动可以为人类所利用并带来经济效益，但在很多情况下，振动会造成严重危害。在航空领域，降低结构的振动进而降低舱内噪声可以提高乘客的乘坐舒适性。在航天领域，火箭或导弹在发射或工作状态时的巨大外载荷会引起结构的强烈振动，有效地减少结构振动可以提高火箭的工作安全性与导弹的制导精确性。此外，在船舶工程领域，降低水下航行器的结构振动，控制机械波在结构中的传播并进而降低航行器的噪声辐射，可降低被敌方声呐探测到的概率并实现良好的隐身性能，对提升海上国防实力大有裨益。因此，在航空、航天和船舶等各个领域，振动控制早已成为一项十分重要的技术问题。

针对各个工程领域中的结构振动问题，逐渐形成了一些较为成熟的隔振、吸振、阻尼减振等控制结构振动的传统技术与方法，在中高频获得了良好的抑振效果。然而传统的振动控制技术在低频抑振效果欠佳。虽然有源抑振技术可在一定程度上解决低频线谱振动控制问题，然而目前对于低频宽频振动却无能为力。因此，如何控制结构在低频宽频范围内的振动已逐渐成为振动控制领域的关键问题。

周期结构由相同的单元周期复合而成，其周期性分布使结构呈现出带隙滤波特性，即在带隙频率范围外的弹性波可以正常传播，而带隙频率范围内的弹性波则无法自由传播，受到抑制作用。因此，周期结构的带隙特性可以为振动控制提供一种新的方法与思路。通过合理设计周期结构的胞元参数，可将带隙调控在低频范围内，进而可利用周期结构解决低频振动控制的难题。周期结构的带隙机理一般可分为布拉格散射型和局域共振型，其中布拉格散射型的带隙频率所对应的波长与晶格常数处于同一量级，而局域共振型的带隙频率所对应的波长可大于晶格常数。因此可以设计将两种带隙机理进行组合的双周期结构，将布拉格散射型周期结构的带隙频率范围与局域共振型周期结构的带隙频率范围调节在低频的不同频段内，则可获得低频宽频带隙，进而可控制结构在低频宽频范围内的振动，解决低频宽频振动控制难题。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种用于在低频宽频范围内降低工程领域弹性结构振动的抑振结构，主要采用在被抑振结构上敷设周期夹芯及周期局域共振单元双周期结构来达到减振降噪的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于双周期禁带特性的低频宽频抑振结构，由相同胞元周期复合而成，其中单个胞元包含四层结构，由下而上依次为匀质贴附层、周期夹芯层、匀质约束层和匀质表面层。所述结构单个胞元的周期夹芯层由A、B两种材质的材料组成，在A材质与B材质构成的夹芯层中心分别开设通孔，一个通孔内分别安装有一个局域共振单元。该局域共振单元由上下两个弹簧元件与中间的质量元件连接组成，其中两个弹簧元件分别与下侧的匀质贴附层和上侧的匀质约束层连接。

所述基于双周期禁带特性的低频宽频抑振结构，匀质贴附层、周期夹芯层和匀质表面层的材料为粘弹性阻尼材料，而匀质约束层的材料为弹性金属材料。

所述基于双周期禁带特性的低频宽频抑振结构，周期夹芯层中夹芯层A与夹芯层B沿周期方向可选用不同的长度尺寸，且分别位于夹芯层A与夹芯层B通孔内的两个局域共振单元的共振频率可设定为不同的频率。

所述基于双周期禁带特性的低频宽频抑振结构，局域共振单元中的弹簧元件可以为传统意义上广泛使用的弹簧，也可以为匀质软材料组成的可提供弹性支撑的结构。

本发明与现有技术相比，主要特点及有益性效果如下：

本发明提出的抑振结构呈现周期分布的特性，周期夹芯层可产生布拉格散射带隙，周期局域共振单元可产生局域共振带隙。在带隙内，结构的振动响应可获得有效抑制。通过合理选择胞元的尺寸及材料参数，可以将本发明中的周期抑振结构带隙频率调控到低频段，且使布拉格散射带隙与局域共振带隙处于不同频率范围内，达到低频宽频抑振效果。此外，含有阻尼的匀质贴附层、周期夹芯层和匀质表面层以及含有阻尼的局域共振单元有利于进一步拓宽抑振带隙频率范围。该发明有助于解决现有抑振技术在低频抑振效果差的难题。

附图说明

图1：周期抑振结构单个胞元示意图。

图2：周期抑振结构单个胞元A–A剖面示意图。

图3：周期抑振结构安装示意图(爆炸图)。

图4：周期抑振结构基体激励区与基体拾振区的平均振动响应对比。

图中：1—匀质贴附层；2—周期夹芯层；21—夹芯层A；22—夹芯层B；23—夹芯层A内的通孔A；24—局域共振单元A的弹簧元件A；25—局域共振单元A的质量元件A；26—夹芯层B内的通孔B；27—局域共振单元B的弹簧元件B；28—局域共振单元B的质量元件B。3—匀质约束层；4—匀质表面层；5—被抑振基体结构；51—被抑振基体结构激励区；52—被抑振基体结构拾振区。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明中的周期抑振结构为多层复合结构，用以贴附在被抑振基体结构(5)上，来降低被抑振基体结构(5)的振动。该抑振结构可以看为由如图1与图2所示的单个胞元沿平面两个方向周期复合而成。周期抑振结构整体上由匀质贴附层(1)、周期夹芯层(2)、匀质约束层(3)以及匀质表面层(4)组成。匀质贴附层(1)与被抑振基体结构(5)直接连接，用以贴附在被抑振基体结构(5)上。周期夹芯层(2)内含有两种不同的夹芯材料以及两种相同(或不同)的局域共振单元，用以分别形成布拉格散射带隙与局域共振带隙，来降低结构在带隙内的振动。匀质约束层(3)选用金属材料(钢或铝等)，它的作用在于：一方面对周期夹芯层进行约束形成约束阻尼结构，另一方面可以提高周期抑振结构的抗压能力。匀质表面层(4)采用粘弹性阻尼材料，它的作用在于：一方面可以增大结构的阻尼进而降低结构振动，另一方面在水下环境中应用时可以对匀质约束层(3)的金属材料进行保护，防止锈蚀。该抑振结构各层之间采用固体胶或液体胶紧固粘结，防止层间滑移产生，其中最下侧的匀质贴附层(1)与被抑振基体结构之间直接相连，同样采用固体胶或液体胶紧固粘结。在周期夹芯层A(21)与周期夹芯层B(22)的中心位置开设通孔(23与26)，用以安装周期局域共振单元。通过调节局域共振单元的质量(25与28)或局域共振单元的弹性元件弹簧刚度(24与27)，可将局域共振单元的带隙调控在低频范围内，且两种局域共振单元可呈现出不同的禁带频率。

本发明中周期抑振结构的抑振机理主要包括布拉格散射带隙抑振、局域共振带隙抑振以及阻尼结构抑振三个方面。以下选取特定的抑振结构参数，来进一步说明本抑振结构在低频范围内的抑振效果。被抑振基体结构(5)的尺寸为1600mm×300mm×4mm，材料为钢。周期抑振结构共包含6个胞元，其中单个胞元的长度为200mm，宽度为300mm，其中夹芯层A(21)与夹芯层B(22)的长度相等，均为100mm。各层厚度按图1所示由下向上依次为1mm、8mm、1mm与1mm。周期夹芯层内通孔A(23)与通孔B(26)的半径均为25mm，质量元件A(25)与B(28)以及弹簧元件A(24)与B(27)的半径均为20mm。质量元件(25与28)的高度为4mm，弹簧元件(24与27)的高度为2mm。质量元件(25与28)选材为铅，总质量为58.3g；弹簧元件A(24)与B(27)的等效弹簧刚度分别设为23065.1Pa与70576.5Pa。周期抑振结构中的匀质贴附层(1)与匀质表面层(4)选材一致，为粘弹性材料，其中弹性模量为10⁷Pa，密度为1100kg/m³，损耗因子为0.2。匀质约束层(3)的材料为铝。夹芯层A(21)为KT泡沫材料，弹性模量为2×10⁵Pa，密度为58kg/m³，损耗因子为0.2。夹芯层B(22)为丁腈橡胶材料，弹性模量为3×10⁸Pa，密度为1780kg/m³，损耗因子为0.2。

图3所示为附加周期抑振结构的整体结构爆炸示意图，其中周期抑振结构安装在被抑振基体结构(5)的中间区域(称为抑振区)，抑振区左右两侧均未安装抑振结构，其中左侧称为基体激励区(51)且施加有单位线力激励，右侧称为基体拾振区(52)。由图4基体激励区(51)与基体拾振区(52)的平均振动相应对比可见，弹性波由激励区(51)经过抑振区传递到拾振区(52)后在80Hz～285Hz频率范围内获得了很大衰减，即振动在低频宽频范围内获得了有效抑制，表明本发明中的周期抑振结构呈现出良好的低频宽频抑振特性。