一種低頻隔振復合夾層結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種低頻隔振的復合夾層結構，包括自下而上依次設置的下均勻層、中間層以及上均勻層；所述的中間層為有限二維聲子晶體結構，有限二維聲子晶體結構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層和下均勻層連成一體，下均勻層、散射體以及上均勻層（3）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，它們為同一材料。基體需要加以固定。所述結構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計結構進行阻隔。該結構可用于幾百赫茲以內頻率范圍內的振動控制，可作為建筑基底與內壁、艦船、高鐵等工程的低頻隔振設施。
【專利說明】一種低頻隔振復合夾層結構
【技術領域】
[0001]本發明屬于振動控制【技術領域】，具體涉及一種低頻隔振復合夾層結構。
【背景技術】
[0002]動物理量時而增大時而減小的反復變化即為振動。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、振動運輸以及振動理論進行測量傳感器等的設計。但是，振動對于大多數的工程結構以及生物體都是有害的，它常常能造成機械結構的惡性破壞和失效。超標的振動會縮短機械壽命，降低機械及電子產品的使用性能，甚至成為現代工業的污染源之一。
[0003]在實際生活環境中，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，傳播距離遠而難以實施阻礙和控制，對工業生產，建筑結構以及人體都產生了極大的危害。隨著科技的發展，大型結構(如航天產品、橋梁建筑、地鐵高鐵以及艦船類等)的尺寸增大，其剛度減弱，固有頻率也相應地降低，低頻振動容易造成其結構和大中型設備故障。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的振動進行感知，但是只有低頻區間內的振動對人類的影響最大。據研究，低頻振動能誘發人類的肢體和器官的共振，因此許多嚴重的疾病都與低頻振動的影響息息相關，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，低頻振動能夠導致人體器官失衡，影響人的視力、操作能力、平衡穩定性以及主觀感覺。隨著振幅的增加，人體不適明顯增強，還將導致心血管系統、神經系統以及運動系統的失調與障礙。
[0004]振動控制的技術主要包含兩大類，即減振技術和隔振技術。隔振就是在振源和需要防振的結構之間防止一定數量具有彈性和阻尼性能的隔振裝置，將振源與基礎之間或者是基礎與需要防振的結構之間的剛性連接轉化為柔性連接，以阻隔或減弱振動能量的傳遞。傳統的振動控制技術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構阻礙大波長的振動。這一些隔振器的靜態剛度與材料本身參數相關，并且也與隔振器的形狀、約束或自由面積以及高度等設計參數有關。隨著參數設計的變化，靜態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的范圍內難以用薄層大面積隔振。所以，設計一種在低頻范圍內能夠有效隔除振動的薄層結構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合功能材料因為其良好的帶隙特性引起了廣泛的關注。美國海軍研究試驗所、歐洲信息社會技術研究委員會、中國自然科學基金等都對聲子晶體的研究與應用進行了大力支持。聲子晶體能夠與波傳播行為(如散射、干涉)相互作用，同時利用結構的周期性和局域共振等特性，在一定的頻段范圍內形成禁帶，阻礙這一范圍內的波在結構的各個方向的傳播，可以起到濾波的作用，從而可以用其進行隔聲或隔振。根據帶隙形成的原因，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構周期性和單散射體的Mie散射共同作用的結果，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作用。Bragg散射型聲子晶體第一帶隙中心頻率對應的彈性波波長為晶格常數的2倍，所以，如果用這一類聲子晶體進行低頻的波傳播控制，結構將會變得十分巨大，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氧樹脂基體中，理論和實驗都證實這一晶格常數為2cm的結構具有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量級。這一發現實現了 “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。但是這一裝置具有明顯的缺點:因為鉛球密度很大導致結構很重而難以運用到實際結構中，而用硅橡膠包裹鉛球再植入基體中導致制作工藝復雜難以成型。
[0007]傳統的局域共振結構一般只能在1000Hz以上區域產生較窄的帶隙。桿狀、梁狀、層狀、板狀、膜狀等結構形式的聲子晶體被設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這一數量級頻率范圍內得到了較為低頻共振帶隙。但是，絕大多數現有的聲子晶體結構仍然不能有效阻隔IOOHz以下的低頻振動。并且，傳統的聲子晶體板狀結構由于其周期性僅分布在板平面內，對于垂直于板的振動作用不大，難以投入實際應用中。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于提供一種低頻隔振復合夾層結構，該結構不僅能夠在幾百赫茲范圍內產生一個較寬禁帶，而且能夠在垂直于板的方向上低于500Hz的頻率范圍內起到良好的阻礙振動波傳播作用。
[0009]為達到上述目的，本發明的技術方案是:包括自下而上依次設置的下均勻層、中間層以及上均勻層；所述的中間層為有限二維聲子晶體結構，有限二維聲子晶體結構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層和下均勻層連成一體，下均勻層、散射體以及上均勻層均為橡膠類材料制成。
[0010]所述的下均勻層、中間層以及上均勻層總厚度為0.3cm-l.5cm。
[0011]所述的中間層的厚度為0.2-1.4cm。
[0012]所述的下均勻層、中間層以及上均勻層為橫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構的元胞晶格常數為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構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]本發明每個散射體與上均勻層和下均勻層連成一體，因此，上均勻層和下均勻層構成了聯系有限二維聲子晶體結構相鄰元胞的彈性層。這樣一種結構能夠使散射體本身Mie散射和散射體之間的相互作用結合起來，且波在有限二維聲子晶體結構中的傳播被調制，在數百赫茲范圍內都受到阻礙，形成一個超低頻寬頻段的帶隙。而在本發明所形成的超低頻寬頻段的帶隙內幾百赫茲的波傳播受阻，因此，本發明能夠在使用時產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構結合，在500Hz以下的低頻產生了數個禁帶，因此，能夠進一步對低頻減振產生了一定效果。
[0019]另外，本發明在使用時，振動作用本發明的一個側面時，可以在與該側面相鄰的另一個側面上固定約束，也可以僅將有限二維聲子晶體結構的基體用固支的方式進行約束，這樣能夠保證本發明的散射體在整個結構中既提供了質量，又提供了振子彈性，形成了一個局域振子，起到增強局域共振和固定結構的作用，同時也保證了該結構能夠固定在實際應用環境中，且由于基底固定，可將基體按地面處理。
[0020]進一步,本發明厚度僅為0.3cm-l.5cm,尺寸較小且可以設計調節,該結構可應用于建筑內壁隔振、火車艦船隔振等實際問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的三維結構示意圖；
[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構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的結構整體在理想情況(無限晶格)的能帶圖；
[0025]圖5為與圖4參數一致的聲子晶體結構在板內單元數目為IOX 10情況下沿板平面方向入射振動的頻率響應函數圖；
[0026]圖6為與圖4參數一致的聲子晶體結構在板內單元數目為IOX 10情況下垂直于板平面入射振動的頻率響應函數圖；
[0027]其中，1、上均勻層，2、中間層，3、下均勻層，4、散射體，5、基體。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0029]如圖1所示，本發明的分為3層，自下而上依次設置的下均勻層1、中間層2以及上均勻層3，下均勻層1、中間層2以及上均勻層3總厚度為0.3cm-l.5cm。該夾層板可依據實際環境設置面積，但是由于單塊板過大將影響固定約束對波在結構中傳播的起到的作用，下均勻層1、中間層2以及上均勻層3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構，有限二維聲子晶體結構包括基體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分別與上均勻層3和下均勻層2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構的元胞晶格常數(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不同的禁帶范圍需求以及晶格常數的大小進行設定。
[0031]其中，下均勻層1、散射體4以及上均勻層3都是采用硅膠材料制成的，硅膠材料的材料參數為楊氏模量在IO5-1O7Pa量級。中間層2的基體材料的材料參數為楊氏模量在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局域共振和固定結構的作用，也可以只在中間層位于B面的部分用固支的方式進行約束，保證本發明的散射體在整個結構中既提供了質量，又提供了振子彈性，形成了一個局域振子，起到增強局域共振和固定結構的作用。
[0033]本發明材料參數和結構參數并不是限定的，可以根據工程實際環境進行相應設計改變，因為聲子晶體本身也是可以靠結構參數和材料參數的變化來調制禁帶的范圍的。因此，此類結構能夠廣泛應用于低頻隔振。
[0034]下面從材料參數和結構參數對本發明進行進一步限定，給出本發明的優選實施例。
[0035]本發明的包括自下而上依次設置的下均勻層1、中間層2以及上均勻層3 ;所述的中間層2為有限二維聲子晶體結構，有限二維聲子晶體結構包括基體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分別與上均勻層3和下均勻層I連成一體，下均勻層1、散射體4以及上均勻層3由相同材料制成。
[0036]本發明的下均勻層1、散射層4以及上均勻層3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的基體材料優選為塑料，其材料參數為: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構的元胞晶格常數為3cm，散射體半徑為1cm，下均勻層1、中間層2以及上均勻層3的總厚度為1.2cm，且下均勻層I和上均勻層3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構作為研究對象算出其在不可約的布里淵區上的能帶圖。如圖 4 所示，在 0-187Hz，188-286Hz, 309-315Hz, 324-355Hz, 356-397Hz 這些區域內出現了明顯的完全禁帶，即在這些頻率范圍內，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域內的振動，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。
[0038]如圖5所示，從圖5的頻率響應函數中也可以印證圖4能帶圖的結構。圖5中計算的結構單元數目為10X10。當有限聲子晶體的元胞數目足夠時，它與無限結構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 頻率響應函數數值特別低，甚至達到了 _350dB，證明波在這些區域的傳播受到了阻礙，幾乎不能通過。而在0-400HZ區域內的尖銳的峰值所對應的頻率也恰好與圖4中能帶對應頻率相等，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用到阻隔振動的結構中，強烈降低振動幅值，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，頻響函數可低至-1OdB左右。這是由于聲子晶體對波傳播的調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，但是依據工程實踐需求，厚度僅1.2cm (可低至3_)的結構能夠阻隔如此低頻范圍內的振動，是可以對其加以利用的。
[0040]與現有技術相比，本發明的有易效果在于:[0041]1、相對于低頻隔振中頻率的波長，該結構尺寸比其波長低了幾個數量級，更符合工程實際應用。
[0042]2、本發明有限二維聲子晶體結構的基體材料參數為楊氏模量在IO9Pa量級以上、密度在3000kg/2以下，因此可以選取適當的基體材料，減輕結構重量。
[0043]3、本發明的材料參數和結構參數均能在一定范圍內通過調制結構參數改變禁帶范圍。
[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的范圍內能夠產生數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、本發明低頻隔振復合夾層結構厚度僅為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制結構參數和材料產生數個類似禁帶，使得該方向上的振動傳播受阻，其具體表現足以用于工程實際中。
[0046]6、本發明在制備時，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，本發明設計簡單，易于加工和制造。
【權利要求】
1.一種低頻隔振復合夾層結構，其特征在于:包括自下而上依次設置的下均勻層(I)、中間層(2)以及上均勻層(3);所述的中間層(2)為有限二維聲子晶體結構，有限二維聲子晶體結構包括基體(5)以及若干嵌入基體(5)的散射體(4)，散射體(4)分別與上均勻層(3)和下均勻層(I)連成一體，下均勻層(I)、散射體(4)以及上均勻層(3)均為橡膠類材料制成。
2.根據權利要求1所述的低頻隔振復合夾層結構，其特征在于:所述的下均勻層(I)、中間層(2)以及上均勻層(3)總厚度為0.3cm-l.5cm。
3.根據權利要求2所述的低頻隔振復合夾層結構，其特征在于:所述的中間層(2)的厚度為 0.2-1.4cm。
4.根據權利要求1或2所述的低頻隔振復合夾層結構，其特征在于:所述的下均勻層(I)、中間層(2)以及上均勻層(3)為橫截面均為面積不超過ImX Im的正方形。
5.根據權利要求4所述的低頻隔振復合夾層結構，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.根據權利要求5所述的低頻隔振復合夾層結構，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.根據權利要求5所述的低頻隔振復合夾層結構，其特征在于:所述的有限二維聲子晶體結構的元胞晶格常數為0.5-3cm。
8.根據權利要求1所述的低頻隔振復合夾層結構，其特征在于:所述的橡膠類材料的楊氏模量在IO5-1O7Pa量級。
9.根據權利要求1或8所述的低頻隔振復合夾層結構，其特征在于:所述的有限二維聲子晶體結構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 優先權日:2013年9月13日
【發明者】吳九匯, 沈禮, 劉彰宜, 張思文 申請人:西安交通大學