一种具有多次级振子的局域共振周期结构

摘要

本发明属于振动噪声控制技术领域，具体涉及一种具有多次级振子的局域共振周期结构，该结构包括弹性底座、框架、弹性柱和质量块；弹性底座和其表面整体质量构成初级谐振结构，框架上各个弹性柱和质量块构成多个次级子谐振结构，所述结构周期安装在待抑振处理结构的表面。通过各阶振子的共振，将振动能量转化为各阶振子的动能，极大地耗散掉被控结构的振动能量，从而实现多频段振动的控制。目的在于利用多模态、宽频带的设计，更好地适应工程中的减振需求。

说明书

技术领域

本发明属于振动噪声控制技术领域，具体涉及一种具有多次级振子的局域共振周期结构。

背景技术

振动存在于各个领域，且多为有害振动，仪器设备的振动不仅影响精密设备的精度，还会损坏设备，减少设备的正常使用寿命，甚至直接导致设备不能正常使用；大型机械产生的振动随着地表向外传播，对工厂以及附近居民的房屋墙体造成损坏；城市中交通工具的行驶、城市作业以及日常生活都会产生大量的振动，市民长期暴露在这种环境中，轻则使人感到厌烦，加速身体疲劳，降低工作效率，严重时甚至会危害人的健康。目前对于振动的控制运用较为广泛的方法有：动力吸振、振动隔离、阻尼减振等，然而传统的减振方式由于安装工艺、安装空间等限制，对低频振动的控制往往难以实现。

局域共振周期结构能产生相对低频的带隙，带隙范围内弹性波将无法传播，相比于传统减振方式能真正实现利用小尺寸结构来控制大波长弹性波，但目前已有的局域共振周期结构往往只能产生单一带隙，且低频带隙较窄，仍需要多模态、宽带隙的设计，以期更好地适应工程中的减振需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多次级振子的局域共振周期结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有多次级振子的局域共振周期结构，包括弹性底座、框架、弹性柱和质量块。局域共振周期结构胞元包括两级谐振结构，质量块内部设置通孔，通孔形状与弹性柱截面形状相同，二者尺寸一致，弹性柱贯穿质量块，并与质量块紧密贴合，所述框架由多个侧边框和一个中心柱以及顶端和底端的长边框一体形成，框架的每个侧边框上设置有通孔，每个侧边框相对的框架中心柱侧面上设置有相应的盲孔，两孔的尺寸与弹性柱截面尺寸一致，盲孔的深度与通孔一致，相对应的一对孔处于同一轴线上，弹性柱两端插入一对孔中使其两端固定，横挂在框架内，每个弹性柱与设置在其上的质量块构成一个次级子谐振结构。框架固定连接于弹性底座上表面，构成初级谐振结构。所述弹性底座和弹性柱均为弹性阻尼材料，所述局域共振周期结构周期安装在待抑振处理结构的表面。

优选的，所述质量块选用圆柱体、球体、锥体等形状。

优选的，所述框架及质量块为高密度、高模量不易变形的材料。

优选的，所述框架可有多个侧边框，每个侧边框与框架中心柱间可设置一个次级子谐振结构。

优选的，所述弹性底座和各弹性柱根据待抑振结构的模态选用合适模量的材料。

优选的，所述弹性底座和各弹性柱材料在满足模量的要求下选用具有较大阻尼的材料。

优选的，所述弹性底座截面可以是多边形、圆形及不规则形状。

优选的，所述具有多次级振子的局域共振周期结构胞元等间距排列在待抑振结构表面，排列形式不限，可为简单正方、简单六角、简单斜方等形式。

本发明基于局域共振周期结构的带隙理论，局域共振周期结构能产生低频带隙，在无限大周期结构的带隙范围内，弹性波将无法传播，有限大周期结构的带隙范围内，弹性波被极大抑制，带隙的起始频率与局域共振胞元结构的弹性参数有关，带隙的宽度与胞元的质量占比、阻尼有关，阻尼具有拓宽带隙的作用，因此可以通过多带隙的设计将多条频率位置相近的带隙通过阻尼的效果整合起来，形成更宽的低频带隙。

本发明具有的有宜效果：一方面，所述的具有多次级振子的局域共振周期结构胞元构成中，弹性底座和框架形成初级谐振结构，框架内的弹性柱和质量块组成多个次级子谐振结构，具有丰富的振动模态，可实现多个频带的振动抑制；另一方面，多个次级子谐振结构的共振频率可调整得较为接近，通过弹性柱自身材料的阻尼作用，将多条较窄的低频抑振带隙整合为宽频带隙，有效提升低频抑振性能，具有高阻尼的弹性底座贴附于待控制结构表面，对中高频的振动有非常好的抑制效果。本发明结构简单，安装方便，可批量生产。

附图说明

图1为本发明具有多次级振子的局域共振周期结构胞元示意图；

图2为本发明局域共振周期结构初级谐振结构示意图；

图3为本发明局域共振周期结构次级子谐振结构示意图；

图4为匀质板贴附本发明的具有多次级振子的局域共振周期结构阵列示意图；

图5为图4所示实施方式的抑振效果示意图；

图中：1-弹性底座、2-框架、21-短边框、22-中心柱、23-长边框、24-通孔、25-盲孔、3-弹性柱、4-质量块

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例进行进一步地说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一种实施例。基于本发明中的实施例，本领域其他技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示为本发明具有多次级振子的局域共振周期结构胞元示意图，质量块(4)内部设置通孔，通孔形状与弹性柱(3)截面形状相同，二者尺寸一致，弹性柱(3)贯穿质量块(4)，并与质量块(4)紧密贴合，所述框架(2)由多个侧边框(21)和一个中心柱(22)以及顶端和底端的长边框(23)一体形成，框架的每个侧边框上设置有通孔(24)，每个侧边框(21)相对的框架中心柱(22)侧面上设置有相应的盲孔(25)，两孔的尺寸与弹性柱(3)截面尺寸一致，盲孔(25)的深度与通孔(24)一致，相对应的一对孔处于同一轴线上,弹性柱(3)两端插入一对孔内使其两端固定，横挂在框架(2)内，每个弹性柱(3)与设置在其上的质量块(4)构成一个次级子谐振结构。框架(2)固定连接于弹性底座(1)上表面，构成初级谐振结构。所述弹性底座(1)和弹性柱(3)均为弹性阻尼材料，所述局域共振周期结构周期安装在待抑振处理结构的表面。

所述框架(2)可有多个侧边框(21)，每个侧边框(21)与框架中心柱(22)间可设置一个次级子谐振结构，图中只示意了侧边框(21)数为4个时的情况。

所述弹性底座(1)截面可以是多边形、圆形及不规则形状。图中只示意了弹性底座(1)截面为四边形时的情况。

更好的，所述弹性底座(1)和框架(2)以及弹性柱(3)为对称结构。

更好的，所述框架(2)和质量块(4)作为初、次级子谐振结构的振子选用高密度、高模量的材质制成，为保证质量块(4)振动时结构的稳定性，选用圆柱体、球体等形状。

更好的，所述弹性底座(1)和各级弹性柱(3)提供刚度，为弹性阻尼材料，为了获得更好的阻尼效应，材料选择具有较大阻尼的橡胶材料。

本发明由多个谐振结构串并联组成，如图2和图3所示，弹性底座(1)和框架(2)形成初级谐振结构，框架(2)内的弹性柱(3)和质量块(4)组成多个次级子谐振结构，具有丰富的振动模态，振子的振动会耗散被控结构的振动能量，因此能产生多条低频带隙。

当被控结构发生横向振动时，弹性波由被控结构传递至局域共振结构，引起框架(2)的振动从而带动各次级质量块(4)的振动，在结构的各阶固有频率处，框架(2)及质量块(4)将会共振，从而将振动能量转化为框架(2)及质量块(4)的动能，极大地耗散掉被控结构的振动能量，将振动局域在前几个胞元之中，从而降低被控结构的振动响应。

图4为本发明抑振时的安装示意图，匀质板上周期附连n个本发明结构(图示中只附连了9个)，将其划分为n个胞元，每个胞元上附连一个本发明结构，设置合适参数，在给定特定力激励下进行振动响应的仿真分析，如图5为附加本发明前后的振动响应对比曲线，从图中可以看出，在带隙频率范围内，基体板的振动响应得到了显著降低，且第一带隙的起始频率低至100Hz以下。