一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法技术

本发明专利技术公开了一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法，该方法通过设计轻质局域共振声学结构，根据需要选择适当的结构形式和设计参数，然后调整部分设计参数，使得预期减振频段落入所设计的结构的带隙频率范围内。这样，这种所设计的局域共振单元就充当了一种阻尼器的作用，将所设计的结构固定到待减振结构振动剧烈的位置后，带隙频带内的结构振动就会被局域共振单元所局域并消耗掉，从而实现减振效果。由于这种设计方法是通过局域共振结构的带隙特性实现减振的，而带隙往往是有一定宽度的，这样，只要在带隙范围内的振动，都能被很好的被衰减掉。综上，这种减振方法有望广泛应用于各种工业产品和装备的低频减振中。

A Low Frequency Damping Method Based on Acoustic Bandgap

【技术实现步骤摘要】
一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法
本专利技术属于阻尼减振
，具体涉及一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法。
技术介绍
由于低频振动能量大，在均匀介质中很难被衰减。因此，在各类机械装备和仪器仪表中，低频振动控制是一个长期困扰人们的技术难题。传统减振措施，如动力吸振器、隔振器等虽然可以在一定程度上实现低频振动衰减，但工作原理决定了其工作频率往往是单频的。对于这些减振方法，当系统或减振部件的实际参数偏离设计值时，不仅起不到减振效果，还会使振动性能恶化。而传统的粘弹性阻尼材料，在低频段对振动的衰减效果很微弱。虽然，在振动剧烈的部位增加加强筋，或局部增加结构的厚度，也可以有效降低这些部位的振动幅度。但是，通过这种方法如果要达到较好的减振效果，增加的附加重量往往很大，不利于结构的轻量化设计。而且，这种措施往往会对结构造成很大的影响，有时甚至需要改变结构的设计，在很多情况下并不适用。综上所述，工业产品和工程技术中，急需能够在一定频带内有效衰减低频振动，又对原有结构影响微弱的减振方案。以往的声子晶体减振对周期性是有要求的，而且在大多数研究中，往往把整个结构都设计为声子晶体，或者声子晶体是作为基体结构的一部分。这样的方案虽然振动衰减效果好，禁带内振动几乎无法传播，但对原有结构产生破坏性改变，适用范围也非常有限。虽然也有少量研究通过将局域共振单元附加在基体结构上进行减振，但由于利用的是结构的反共振特性，本质上和动力吸振器的工作原理是一致的，都只能在反共振频率附近获得减振效果，而且都会在减振频率两侧各产生一个新的共振峰。因此，急需开发新的减振方法，在减振的同时不产生新的共振峰，这样才能实现更为广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法，用于实现各类机械装备和仪器仪表中低频振动的有效衰减。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法，包括以下步骤：1)通过振动测试，获取目标减振对象的振动频率响应函数，确定目标减振峰所处的频率位置；2)根据目标减振频率和实际允许的安装空间要求，选择适当的局域共振单元结构类型，设计元胞结构，计算元胞的能带图，确定带隙频率范围；3)反复调整局域共振单元的结构参数，使得目标减振频率落入局域共振单元的带隙频率范围内，且尽量使得目标减振频率处于局域共振单元带隙范围的中心频率附近；4)当采用弯曲波带隙进行减振时，采用模态位移法检验带隙内局域共振单元的面外位移是否足够小；5)对于目标减振对象的振动剧烈部位难以估计的情况，计算目标减振对象在符合使用条件的边界条件下的模态振型，确定振动剧烈的部位；6)制作局域共振单元，并将其固定到目标减振对象振动剧烈的部位，进行振动试验，检验减振效果。本专利技术进一步的改进在于，局域共振单元的类型根据需要任意选取，但考虑到轻量化设计的要求，薄膜和薄板类结构最佳。本专利技术进一步的改进在于，局域共振单元的带隙是完全带隙，或者是弯曲波带隙，且带隙频率范围覆盖目标减振频率。本专利技术进一步的改进在于，当采用弯曲波带隙进行减振时，引入一种模态位移法来评估预期减振效果，这种方法通过求能带的时候计算局域共振单元中提供局域化刚度的部分的平均模态位移，然后投影到频率和波矢所在的坐标平面内得到。本专利技术进一步的改进在于，局域共振单元需要布置在结构中振动最剧烈的部位，以获得最佳的减振效果。本专利技术进一步的改进在于，目标频率范围内模态位移接近0时，减振效果最佳。本专利技术具有如下有益的技术效果：1、通过具有弯曲波带隙或弯曲带隙的局域共振结构，一个元胞或多个元胞，均可实现减振效果；2、局域共振单元的带隙频率范围的带宽比目标减振频率范围宽，所以加工出来的局域共振单元允许存在一定的误差，依然能够保证减振效果；3、通过模态位移计算，可以准确预估弯曲波带隙频率范围内，是否能够实现有效减振；4、可以通过总重量低于基体重量1‰的局域共振单元，实现有效的振动衰减；5、在降低目标振动峰值处的振动幅值的同时，也能不同程度降低其它峰值处的振动幅值；6、在降低目标振动峰值处的振动幅值的同时，不会产生额外的振动峰值。综上所述，根据本专利技术提供的一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法的上述特点，采用本专利技术提供的方法设计的阻尼结构能够克服传统方案的缺点，将所设计的结构固定到待减振结构振动剧烈的位置后，带隙频带内的结构振动就会被局域共振单元所局域并消耗掉，从而实现减振效果。由于这种设计方法是通过局域共振结构的带隙特性实现减振的，而带隙往往是有一定宽度的，这样，只要在带隙范围内的振动，都能被很好的被衰减掉。这种结构的优点除了有一定的工作带宽外，还包括附加质量小、无需修改本体结构的设计参数、不依赖于周期数、不会产生额外的振动峰等。其中，附加质量小体现在阻尼减振结构的总重量可以低至待减振结构的1‰以下，基本不增加整体重量；无需修改本体结构体现在这种结构是附加到本体结构上的，可以分开设计后组合在一起即可；不依赖于周期性体现在即便只采用单一元胞结构，也可以获得很好的减振效果，当然，也可以根据需要采用多个元胞组合结构；不会产生额外的振动峰体现在这种阻尼减振方法会降低原有结构的振动峰的幅值，但不会像动力吸振器那样，在降低的峰两侧产生两个额外的振动峰。综上，这种减振方法有望广泛应用于各种工业产品和装备的低频减振中。附图说明图1为归一化的钢板振动加速度频响函数试验测量结果；图2为归一化的钢板模态位移计算结果；图3为薄板型局域共振单元结构及布置在钢板上的结构示意图；图4为第一组局域共振单元的能带图；图5为第一组局域共振单元的面外模态位移计算结果投影图；图6为图4中能带上标记的几个关键点的位移场分布；图7为附加和不附加第一组局域共振单元时钢板的归一化振动频响函数测量结果；图8为第二组局域共振单元的能带图；图9为第二组局域共振单元的声透射系数测量结果；图10为第三组局域共振单元的能带图；图11为附加和不附加第二组局域共振单元时钢板的归一化振动频响函数测量结果；图12为附加和不附加第三组局域共振单元时钢板的归一化振动频响函数测量结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明。(一)局域共振阻尼结构的设计基于声学带隙的低频阻尼减振方法的核心是设计局域共振阻尼结构，使目标减振频率落入其带隙频率范围内。因此，目标减振频率是进行阻尼结构设计的输入参数，需要先确定目标减振频率。目标减振频率可以根据应用场景的不同，采用不同的方法来确定，比如通过理论计算、数值模拟或试验测量等。这里，为了简化，本专利技术选择一块边长为0.5m，厚度为3mm的正方形钢板作为目标减振对象，通过锤击振动试验测量其振动频率，以确定目标减振频率。钢板的总重量约5.9kg，钢板通过柔性绳索进行悬挂，在钢板中心布置一个加速度传感器采集其振动响应信号。通过力锤对钢板进行激振，力锤配置有力传感器，以采集激振力信号。对采集得到的信号进行FFT分析后，可以得到力和加速度的频谱。用F表示力，A表示加速度，则频响函数FRF可以表示为FRF＝A/F(1)将频响函数FRF按测量频率范围内的最大幅值进行归一化，得到600Hz内归一化的振动加速度频响函数如附图1所示。为了更清楚地显示100Hz内的几个峰值，在插图中进行了放大显示。从附图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过振动测试，获取目标减振对象的振动频率响应函数，确定目标减振峰所处的频率位置；2)根据目标减振频率和实际允许的安装空间要求，选择适当的局域共振单元结构类型，设计元胞结构，计算元胞的能带图，确定带隙频率范围；3)反复调整局域共振单元的结构参数，使得目标减振频率落入局域共振单元的带隙频率范围内，且尽量使得目标减振频率处于局域共振单元带隙范围的中心频率附近；4)当采用弯曲波带隙进行减振时，采用模态位移法检验带隙内局域共振单元的面外位移是否足够小；5)对于目标减振对象的振动剧烈部位难以估计的情况，计算目标减振对象在符合使用条件的边界条件下的模态振型，确定振动剧烈的部位；6)制作局域共振单元，并将其固定到目标减振对象振动剧烈的部位，进行振动试验，检验减振效果。

【技术特征摘要】
1.一种基于声学带隙的低频阻尼减振方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过振动测试，获取目标减振对象的振动频率响应函数，确定目标减振峰所处的频率位置；2)根据目标减振频率和实际允许的安装空间要求，选择适当的局域共振单元结构类型，设计元胞结构，计算元胞的能带图，确定带隙频率范围；3)反复调整局域共振单元的结构参数，使得目标减振频率落入局域共振单元的带隙频率范围内，且尽量使得目标减振频率处于局域共振单元带隙范围的中心频率附近；4)当采用弯曲波带隙进行减振时，采用模态位移法检验带隙内局域共振单元的面外位移是否足够小；5)对于目标减振对象的振动剧烈部位难以估计的情况，计算目标减振对象在符合使用条件的边界条件下的模态振型，确定振动剧烈的部位；6)制作局域共振单元，并将其固定到目标减振对象振动剧烈的部位，进行振动试验，检验减振效果。2.根据权利要求1所述的一种基于声学带隙的低频...

【专利技术属性】
技术研发人员：马富银，蔡永庆，吴晓，吴九汇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61