一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料，具有一周期性结构，所述周期性结构由多个基本结构单元组成；所述基本结构单元包括沿所述周期性结构高度方向依次连接的结构层一，连接层和结构层二；所述连接层包括四个呈2×2矩阵排列的次级连接层，所述四个次级连接层等间距排列；所述次级连接层包括一结构层三和分别位于所述结构层三的上下面的连接层一和连接层二；所述结构层一，所述结构层二和所述结构层三的材料为材料一，所述连接层一和所述连接层二的材料为材料二；所述材料一的密度为ymat，1×103kg/m3≤ymat≤20×103kg/m3；所述材料二的弹性模量为xmat，0.1Mpa≤xmat≤100Mpa。本发明的基本结构单元具有相当宽的低频带隙，并且带隙可设计的特点。
【专利说明】一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种隔振材料，具体地说是一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料。
【背景技术】
[0002] 传统的减振技术核心是采用阻尼减振材料，如橡胶，树脂等材料，这些材料通常是 单相的高分子材料或者几种高分子材料的混合物，高分子材料是由长的，柔软的卷曲和互 相纠缠的分子构成，分子间偶尔还有化学键偶合，并且具有很高的阻尼系数。阻尼是将振动 过程中系统振动的能量转变为其他形式的能量而耗散掉的过程，可通过其内部高分子之间 的内摩擦，其他形式的能量包括热能、电能、磁能等。阻尼能降低系统的振动量、受冲击量和 噪声水平。自由振动时，阻尼使振幅不断衰减。强迫振动时，阻尼消耗激励对系统做的功， 降低系统的振幅。
[0003] 粘弹性阻尼减振材料兼有粘性液体在流动状态下损耗能量的特性和弹性固体材 料存储能量的特性，可通过粘帖在结构上，形成大阻尼复合结构，以达到减振的目的。
[0004] 传统阻尼减振材料基于的内摩擦耗能机理，针对低频减振效果并不显著，并且具 有目标带宽频率不可设计的问题，对于不同带宽频率的领域需要设计不同种类的材料，减 振范围不能覆盖振动以及更宽的声学频率范围。对于特殊领域，要求减振效果显著，可以屏 蔽特定频率范围内的弹性波，比如高精密加工系统需要的无振动加工环境，特定频率范围 内的声音屏蔽环境，传统阻尼减振材料并不能胜任。
【发明内容】
[0005] 根据上述提出的传统阻尼减振材料对低频减振效果不显著，并且具有目标带宽 频率不可设计的技术问题，而提供一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料。
[0006] 本发明采用的技术手段如下：
[0007] -种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料，具有一周期性结构，所述周期性结构由多 个基本结构单元组成；
[0008] 所述基本结构单元包括沿所述周期性结构高度方向依次连接的结构层一，连接层 和结构层二；
[0009] 所述连接层包括四个呈2X2矩阵排列的次级连接层，所述四个次级连接层等间 距排列，由于间距的尺寸不对隔振频率范围产生影响，因此，本发明只要保证所述间距存在 即可；
[0010] 所述次级连接层包括一结构层三和分别位于所述结构层三的上下面的连接层一 和连接层二；
[0011] 所述结构层一，所述结构层二和所述结构层三的材料为材料一，所述连接层一和 所述连接层二的材料为材料二； _2]所述材料一的密度为 ymat，1 X 103kg/m3 彡 ymat 彡 20X 103kg/m3 ;
[0013] 所述材料二的弹性模量为xMt，〇· IMpa彡xMt彡lOOMpa。
[0014] 进一步地，所述周期性结构的外表面覆盖有阻尼材料。
[0015] 进一步地，所述周期性结构与阻尼材料交替层叠设置，即一层所述周期性结构，一 层阻尼材料交替层叠设置。
[0016] 进一步地，所述基本结构单元以mXmXn点阵形态排列，其中m和η分别为大于等 于1的正整数；
[0017] 所述基本结构单元的底面为正方形，所述周期性结构的尺寸为maXmaXnb，其中 a为所述基本结构单兀的底面边长，b为所述基本结构单兀的1? ;
[0018] 所述结构层一的底面为正方形，所述结构层一的底面边长为a ;
[0019] 所述结构层二的底面为正方形，所述结构层二的底面边长为a ;
[0020] 所述结构层三的底面为正方形，所述结构层三的底面边长为ap 2&1 = a ;
[0021] 所述连接层一的底面为正方形，所述连接层一的底面边长为a2 ;
[0022] 所述连接层二的底面为正方形，所述连接层二的底面边长为a2 ;
[0023] 所述结构层三的高度为h，所述结构层一的高度和所述结构层二的高度为b/2， 所述连接层一的高度和所述连接层二的高度均为1^,21^+2? = b ;，
[0024] 所述连接层一与所述结构层一的连接长度，所述连接层一与所述结构层三的连接 长度，所述连接层二与所述结构层三的连接长度和所述连接层二与所述结构层二的连接长 度均为 zge。，zge。= a2。
[0025] 本发明还提供了一种设计上述一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料的方法，其特 征在于：
[0026] l)Xmat 和 ymat 的确认 fimv(r fhw(v \
[0027] 通过公式乂―. = 和= Δ--11-计算 xmat 和 ymat， 肩細I
[0028] fr(xmul) = 〇.〇248ii, ?4.7808x1, + 362.47x"uf +425.075 ?
[0029] ) = 0.0224.C ^4.3113x1, + 331 .8λ_ + 45,4886，
[0030] f!r (y,mu) = ^0.12 hi,, + 4.945 ^ 68.196 v;"w/ + 449.75 ,
[0031] nmat = 299. 28,
[0032] fuppCT为隔振频率范围的上边界，flOTOT为隔振频率范围的下边界；
[0033] 2) a, b，a。，a2, h 和 b2 的确认
[0034] 通过公式 aupper = 32729. 8/fupper，alOTer = 5909. l/flOTer 和 b = 21^+2? 计算 a 和 b，
[0035] 当 auppOT = alQW" 时，a = ^upper =alower ；
[0036] 当 aupper # alOTVer 时，a = (a-r+a-er)/2 ;
[0037] 其中，a/b! = xge〇，a2/b2 = yge〇，a2 = zge〇，1 < xge〇< 9,2 < yge〇< 8,0 < zge〇< 30mm ; _8]通过公式)和^=计算Xg為。和 fj geo Zgeo'
[0039] 假设参数xgOT和zgra)产生相似的带隙影响效果，即
[0040] 二，由于通过./f =，(>'）可以确定参数yge。，只剩 下Xge。和v。参数待定，但是因为/w" 只有一 个方程，不能确定两个待定参数，也就是说可以存在多种情况多组解都满足方程 ahw(x 2I〇W(v )^￡l〇W(z ) fbwtr = ----------^-，本发明只给出确定其中一组解的简单方法，所以进 η geo 行这样的假设；
[0041] = -0.6625.4, +85,765?,+298.69,
[0042] gf~ (-V，, ) = -1.9643^, + 46,3029.rffM ^ 12.8063 ?
[0043] #'(&,") = -2·075_4, +54,27.心" -15,82，
[0044] = -0,0994^ +10.185^ -7.49，
[0045] nge。= 7126。进一步地，当给定频率f时，通过公式
[0046] 计算fuppOT和flOTOT，其中f为隔振频率范围的中心频率，假设a = ^upper ^lower °
[0047] 与现有技术相比，本发明的基本结构单元具有相当宽的低频带隙，并且可以根据 隔振材料应用的振动环境来调整材料参数和几何参数，从而可以调整隔振材料的目标带隙 范围，本发明具有带隙的可设计性，在带隙范围内隔振效果非常显著，可以针对不同环境进 行设计，达到对弹性波屏蔽的效果，本发明还可以与传统的阻尼材料相结合，进一步提高隔 振效果。
[0048] 基于上述理由本发明可在隔振材料等领域广泛推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0049] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0050] 图1是本发明的基本结构单元空间示意图。
[0051] 图2是本发明的基本结构单元的俯视图。
[0052] 图3是本发明的基本结构单元侧视图。
[0053] 图4是本发明的【具体实施方式】与其他材料进行对比的纵向传输特性曲线图。
[0054] 图5是本发明的【具体实施方式】与其他材料进行对比的横向传输特性曲线图。
[0055] 图6时本发明的【具体实施方式】的三维能带关系图。
[0056] 图7是一种设有安装座的低频宽带的珍珠层仿生隔振材料结构示意图。
【具体实施方式】
[0057] 如图1和图2所示，一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料，具有一周期性结构，所 述周期性结构由多个基本结构单元组成；
[0058] 所述基本结构单元包括沿所述周期性结构高度方向依次连接的结构层一 1，连接 层和结构层二2 ;
[0059] 所述连接层包括四个呈2X2矩阵排列的次级连接层，所述四个次级连接层等间 距排列，间距为5mm;
[0060] 所述次级连接层包括一结构层三3和分别位于所述结构层三3的上下面的连接层 一 4和连接层二5,所述间距为5mm指的是四个所述结构层三3之间的间距；
[0061] 所述结构层一 1，所述结构层二2和所述结构层三3的材料为材料一，所述连接层 一 4和所述连接层二5的材料为材料二；
[0062] 所述材料一的密度为 ymat，1 X 103kg/m3 彡 ymat 彡 20X 103kg/m3 ;
[0063] 所述材料二的弹性模量为xMt，0· IMpa彡xMt彡lOOMpa。
[0064] 所述基本结构单元以mXmXn点阵形态排列，其中m = η = 3 ;
[0065] 所述基本结构单元的底面为正方形，所述周期性结构的尺寸为3aX3aX3b，其中 a为所述基本结构单兀的底面边长，b为所述基本结构单兀的1? ;
[0066] 所述结构层一 1的底面为正方形，所述结构层一 1的底面边长为a ;
[0067] 所述结构层二2的底面为正方形，所述结构层二2的底面边长为a ;
[0068] 所述结构层三3的底面为正方形，所述结构层三3的底面边长为&1，2&1 = a ;
[0069] 所述连接层一 4的底面为正方形，所述连接层一 4的底面边长为a2 ;
[0070] 所述连接层二5的底面为正方形，所述连接层二5的底面边长为a2 ;
[0071] 所述结构层三3的高度为bi，所述结构层一 1的高度和所述结构层二2的高度为 b/2,所述连接层一 4的高度和所述连接层二5的高度均为b2,2bi+2b2 = b ;
[0072] 所述连接层一 4与所述结构层一 1的连接长度，所述连接层一 4与所述结构层三3 的连接长度，所述连接层二5与所述结构层三3的连接长度和所述连接层二5与所述结构 层_ 2的连接长度均为zge。，zge。= a2。
[0073] 给定频率 f 为 276Hz，通过计算公式：^皆^: = /，aupper = 32729. 8/fupper, ^lower 5909. l/f"i〇wer 和 ￡1 ^upper ^lower? 32729.8 + 5909.1
[0074] 可以得到《 =-= 70mm， 2x 276
[0075] 进而得到 fupper = 467. 5685Hz，flOTer = 84. 4155Hz，
[0076] xmat 和 ymat 的确认：
[0077] 通过公式= 和./;,,K,T =-'广(?"广'广(>_)计算 Xmat 和 ymat，
[0078] Γ(χηαι) = 〇-〇248ii? ^4.7808x1, + 362.47^ + 425,075 ,
[0079] ./广(λ_) = M224xi" -4.3173^ +M1.8x,"a< +45.4886，
[0080] = +4,945}rat -68.196^, +449.75 ,
[0081] nmat = 299. 28,
[0082] } = 467.5685Hz，由于方程,/Γ(λ·)在 0· IMpa 彡 xmat 彡 lOOMpa 内是单调 的，可以求得Xmat = 〇. 1174MPa，与硅橡胶的弹性模量相似，所述连接层一 4和所述连接层二 5选取硅橡胶作为使用材料。 fhm (Y i y \ fhm (X I* )
[0083] :Λ.............K：J'，i>L，'......... Jj_...............'"'ui " = MAI 55Hz，由于方程。-·--二^在 i χ i〇3kg/ m3彡ymat < 20X 103kg/m3内是单调的，可以求得ymat = 2· 6975X 103kg/m3,与铝的密度相似， 所述结构层一 1，所述结构层二2和所述结构层三3选取铝作为使用材料。
[0084] a, b，a。，a2, h 和 b2 的确认：
[0085] 通过公式 aupper = 32729. 8/fupper，alOTer = 5909. l/flOTer 和 b = 21^+2? 计算 a 和 b， ^ ^upper ai〇wer = 70mm ；
[0086] 其中，a/b! = xge〇，a2/b2 = yge〇，a2 = zge〇，1 < xge〇< 9,2 < yge〇< 8,0 < zge〇< 30mm ; g-l0w(x i^hnv( y €ximr( 7 )
[0087] 通过公式./-. = 和./w,. ^Lgil-^im xge。，yge。和 Zgeo'
[0088] gT(y,lV) = ^0.6625.)4, + 85.765>;w + 298.69 ?
[0089] = -1·9643.\?Λ, +46.3029.r yt,o -12.8063 ?
[0090] ?τΓ(,^") = ^2,075,^ +54,27^ ^15.82 ,
[0091] g'；m ) = -0.09942；,, +10,185^,, - 7.49 ?
[0092] ngeo = 7126 ；
[0093] gr(.vgw} = 467.5685：Fk，由于方程，(八J在2彡yge。彡8内是单调的，可以求得 Π1 70 ygeo = 2,则= y，zge。= a2, 2b2 = a2 ; aim· /T ^im'7 v a-imv(z 、
[0094] 亡!一^^--1·......S:丄=84.4155Hz, ?v.
[0095] 化简得到^"假设参数Xge。和Zge。产生相似的带隙影 响效果，即
[0096] ft,w(xge) = 84,4134Hz ? gf*(z鮮）=844134Hz，
[0097] 由于方程giw'(\J在1彡Xge。彡9内是单调的，可以求得x ge。= 2. 3299,由于方程 在0 < zge。彡30mm内是单调的，可以求得zge。= 9. 9994mm。从而可以得到bi = 30. 0442mm, a2 = 9. 9994mm, b2 = 4. 9997mm, ?i = = 35mm ，b = 21^+2? = 70. 0878mm。 2,
[0098] 所述的一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料（图示为三维珍珠层材料）与铝块 (图示为铝），硅橡胶块（图示为硅橡胶）以及铝板与硅橡胶板交替层叠设置的简单层状材 料（图示为铝-硅橡胶简单层状材料）性能进行对比，考查其纵向和横向的传输特性，并进 行数值测试。传输系数即输出端位移响应除以输入端位移响应，通常响应曲线以对数形式 描述，对比结果如图4和图5所示，从图中曲线可以看出，所述的一种低频宽带的珍珠层仿 生隔振材料在低频超宽带隙的频率范围内，无论是横向还是纵向都有显著的减振效果，其 衰减效果可达到200dB，远远大于其他三种材料。
[0099] 如图6所示，横坐标的字母为波矢在第一简约布里渊区的特征点，即表征全三维 的波传播方向；图6中的曲线即为色散曲线或能带结构，表征波矢与频率的关系，从中可以 看出不同频率波的传播速度与方向；在三维情况下，所述的一种低频宽带的珍珠层仿生隔 振材料会出现相当宽的低频带隙（84. 4155HZ-467. 5685Hz)，三维材料在低频区域会具有更 丰富的色散关系，而在高频区域同样出现多条平直带，从而出现多个较连续的带隙。这会导 致非常宽的频率衰减区出现，适用于工程减振降噪的需要。
[0100] 如图7所示，所述一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料的上下表面分别设有安装 座。
[0101] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料，其特征在于，具有一周期性结构，所述周期性 结构由多个基本结构单元组成； 所述基本结构单元包括沿所述周期性结构高度方向依次连接的结构层一，连接层和结 构层二； 所述连接层包括四个呈2X2矩阵排列的次级连接层，所述四个次级连接层等间距排 列； 所述次级连接层包括一结构层三和分别位于所述结构层三的上下面的连接层一和连 接层二； 所述结构层一，所述结构层二和所述结构层三的材料为材料一，所述连接层一和所述 连接层二的材料为材料二； 所述材料一的密度为 ymat，1X l〇3kg/m3 彡 ymat 彡 20X 103kg/m3 ; 所述材料二的弹性模量为xmat，〇. IMpa彡xmat彡lOOMpa。
2. 根据权利要求1所述的一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料，其特征在于：所述周 期性结构的外表面覆盖有阻尼材料。
3. 根据权利要求1所述的一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料，其特征在于：所述周 期性结构与阻尼材料交替层叠设置。
4. 根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料，其 特征在于：所述基本结构单元以mXmXn点阵形态排列，其中m和η分别为大于等于1的正 整数； 所述基本结构单元的底面为正方形，所述周期性结构的尺寸为maXmaXnb，其中a为 所述基本结构单兀的底面边长，b为所述基本结构单兀的1? ; 所述结构层一的底面为正方形，所述结构层一的底面边长为a ; 所述结构层二的底面为正方形，所述结构层二的底面边长为a ; 所述结构层三的底面为正方形，所述结构层三的底面边长为2? = a ; 所述连接层一的底面为正方形，所述连接层一的底面边长为a2 ; 所述连接层二的底面为正方形，所述连接层二的底面边长为a2 ; 所述结构层三的高度为h，所述结构层一的高度和所述结构层二的高度为b/2,所述 连接层一的商度和所述连接层-的商度均为b2, = b ; 所述连接层一与所述结构层一的连接长度，所述连接层一与所述结构层三的连接长 度，所述连接层二与所述结构层三的连接长度和所述连接层二与所述结构层二的连接长度 均为 zge。，zge。= a2。
5. -种设计权利要求4所述的一种低频宽带的珍珠层仿生隔振材料的方法，其特征在 于： 1. Xmat和ymat的确认 通过公式f = fUp(、和Λ灣 -计算xmat和ymat， J upper J1 /：Ψ(-\"",) = 〇-〇248x,L, -4.7808x1, + 362.47.xw", + 425.075 , ^(^) = 0-0224^ -4.3173^, +331.8^ +45.4886 , ) = -〇·⑵尤,十4姻为己-版 1963^+449.75, nmat= 299. 28， fuppet·为隔振频率范围的上边界，fi_为隔振频率范围的下边界； 2)a，b，a。，a2, h 和 b2 的确认 通过公式 aupper = 32729. 8/fupper，alQwer = 5909. 1/%。和 b = 21^+21? 计算 a 和 b， ^upper ^lower ? ^ ^tipper ^lower ? ^upper ^lower ? ^ ^upper^^lower^ ? 其中，a/b! = Xge。，a2/b2= yge。，a2= zge。，1 < xge。< 9,2 < yge。< 8,0 < zge。< 30mm ; 、苗 Mvv-e *nf = ^ 通过Λ式^ = V、和九謂. " 计算 Xge。，yge。和Zge。， Jupper ****** 〇t geo/ "geo 假设参数XgOT和ZgOT产生相似的带隙影响效果，即 g：P(ygJ = -0.6625;^ +85.765^ + 298.69? g'r^geo ) = ^1 ·9643λ·^, + 46.3029^.,, -12.8063 , #.(?,）= -2.〇75>i" +54,27Λλ, -15,82 , = -〇·〇994' +10.185' - 7,49， ngeo = 7126。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：当给定频率f时，通过公式 手，=/计算fuppOT和f1(WCT，其中f为隔振频率范围的中心频率，假设a = auppOT = 已lower 〇
【文档编号】B32B3/18GK104118151SQ201410353501
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】张盛, 尹进, 李云鹏, 陈飙松, 张洪武, 彭海军, 黄佳 申请人:大连理工大学