用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构

1.本发明属于振动与噪声控制新材料、新结构领域，尤其涉及用于波纹夹芯板低频减振降噪的材料结构。


背景技术：

2.波纹夹芯板由上下表面面板与单层或多层波纹状腹板芯层组合而成，具有质量轻、刚度大、强度高等显著优点，在国防装备、交通运输等领域得到了广泛应用。由于这类结构可以通过挤压成型工艺实现大尺寸一体化制造，因此在有些领域，这类结构也被称为中空挤压型材，或简称为中空型材。然而，这种轻质结构容易被激发出低频振动和噪声，影响装备乘坐舒适性、危害乘员健康、降低装备可靠性和使用寿命。由于低频振动和噪声对应的弹性波/声波的波长大，传递能力强，导致实现低频减振降噪尤为困难，如何有效抑制波纹夹芯板结构的低频振动与噪声是学术界与工程界面临的一大难题。
3.近年来，声物理学和凝聚态物理学领域提出和发展的超材料结构为解决波纹夹芯板的低频振动与噪声问题提供了新思路。超材料结构是指由特殊设计的人工微结构单元(如局域共振单元，简称振子单元或振子)按一定方式附加于基体结构而构成的新型复合结构，能获得传统材料/结构不具有的超常物理特性(如负等效质量密度、负等效模量等)，可以实现对低频弹性波和声波的超常操控，使得其在低频减振降噪领域有广阔应用价值。传统设计的人工微结构单元一般是孤立的(如弹簧质量振子、硬软材料块振子等)，需要分别将振子单元一一与基体结构相连接，这样的设计有诸多优点，但也存在一些不足，例如：每个振子单元需要分别加工、分别连接，工艺相对复杂，成本高，且费时费力；孤立加工的微结构单元误差大，一致性较差；此外，由于波纹夹芯板自身结构特点，传统设计的微结构单元不便于嵌入安装到波纹夹芯板的中空芯层，因此往往需要安装在波纹夹芯板的外表面，导致需要占用额外的空间，以及需要额外的安装成本；而且，当不采取有效的防护措施时，安装在外表面的微结构单元受外界环境影响大，当外物接触到微结构单元时，甚至会导致微结构单元脱落失效。这些缺陷和不足无疑限制了传统超材料结构在波纹夹芯板减振降噪方面的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的问题，提供用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构，该超材料结构兼具低频隔声、减振及声辐射抑制优良性能，并且制造及安装简便、成本低廉、可靠性高，且不占用额外空间，克服了传统超材料结构设计方案用于波纹夹芯板时所面临的加工及安装复杂、成本高昂、可靠性差，且需占用额外空间等诸多缺点。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构，所述共形嵌入式超材料结构包括基体结构、阵列化排布的质量元件和阵列化排布的通孔；
6.所述基体结构包括阵列化排布的弹性元件和用于将所述共形嵌入式超材料结构稳固安装于波纹夹芯板的芯层内部的共形支撑子结构；所述共形支撑子结构设置在阵列化排布的弹性元件两端，并与阵列化排布的弹性元件一体成型；
7.阵列化排布的通孔将阵列化排布的弹性元件依次间隔开实现阵列化排布，每个弹性元件上均设有质量元件；每个弹性元件与设置在所述弹性元件上的质量元件构成局域共振微结构单元，所述局域共振微结构单元阵列化排布使得所述共形嵌入式超材料结构能够产生局域共振效应，高效地抑制波纹夹芯板中的弹性波传播，从而使得波纹夹芯板具有很强的低频隔声能力，以及低频振动与辐射噪声抑制能力。
8.进一步地，所述共形支撑子结构具有一级特征角和二级特征角；所述共形支撑子结构的尺寸和一级特征角、二级特征角的大小依据波纹夹芯板的芯层内部腔体几何构型确定，使得所述共形嵌入式超材料结构可以被嵌入在波纹夹芯板的芯层内部腔体，并会受波纹夹芯板的芯层腔壁的约束，产生预紧力，从而使得所述共形嵌入式超材料结构无需额外安装措施就能够自动稳固地安装于波纹夹芯板的芯层内部。
9.进一步地，所述弹性元件中，各个弹性元件的尺寸可以是相同的，也可以是不同的；当弹性元件的尺寸不同时，可以使弹性元件的刚度不同，从而可以使所述共形嵌入式超材料结构产生双频或多频局域共振效应，进而实现双频或多频减振降噪效果；当各个弹性元件的尺寸被设计成逐渐递增或递减变化时，可以使得所述共形嵌入式超材料结构产生宽频渐变局域共振效应，从而实现宽频减振降噪效果。
10.进一步地，所述质量元件中，各个质量元件的尺寸可以是相同的，也可以是不同的；当质量元件的尺寸不同时，可以使得所述共形嵌入式超材料结构产生双频或多频局域共振效应，从而实现双频或多频减振降噪效果；当各个质量元件的尺寸被设计成逐渐递增或递减变化时，可以使得所述共形嵌入式超材料结构产生宽频渐变局域共振效应，从而实现宽频减振降噪效果。
11.进一步地，每个弹性元件上还均设有阻尼元件；所述阻尼元件贴敷在弹性元件表面，可以通过调整所述阻尼元件的尺寸和贴敷在弹性元件上的位置来调节其阻尼效果。
12.进一步地，所述共形嵌入式超材料结构可采用单层方式安装于所述波纹夹芯板的芯层内部腔体中，也可采用双层或多层方式安装于波纹夹芯板的芯层内部腔体中；当以双层或多层方式安装时，能够充分地利用波纹夹芯板的芯层内部腔体空间，并可通过对不同层的共形嵌入式超材料结构的参数进行调控设计，就可以在不占用外部空间的条件下，实现双频、多频或宽频减振降噪效果。
13.进一步地，所述共形嵌入式超材料结构可安装于所述波纹夹芯板的芯层内部每一个腔体，也可有选择性地安装于其中部分腔体；不同腔体中安装的所述共形嵌入式超材料结构，其构型及参数可以相同，也可以不同。
14.进一步地，可以通过设计所述共形支撑子结构的尺寸、一级特征角的大小、二级特征角的大小来增加所述共形嵌入式超材料结构的安装预紧力，从而提高所述波纹夹芯板7的结构刚度及承载能力。
15.进一步地，在振动或噪声激励作用下，所述共形支撑子结构与波纹夹芯板结构的接触面可发生摩擦，产生阻尼耗能效果，从而提升结构的减振降噪性能；还可以通过人为增加共形支撑子结构的表面粗糙度，来增强摩擦效应，进一步提升阻尼效果和减振降噪性能。
16.进一步地，所述共形支撑子结构可以是均质板结构，也可以是存在孔洞的穿孔板结构或穿缝板结构。
17.进一步地，所述质量元件可以只安装于阵列化的弹性元件的单面，也可以同时安装于阵列化的弹性元件的双面。
18.进一步地，所述阻尼元件可以只安装于阵列化的弹性元件的单面，也可以同时安装于阵列化的弹性元件的双面。
19.进一步地，所述质量元件可以正好位于或者靠近阵列化的弹性元件的中间安装，也可以正好位于或者靠近阵列化的弹性元件的两端安装。
20.进一步地，当所述质量元件正好位于或者靠近阵列化的弹性元件的中间安装时，所述阵列化的阻尼元件在非位于或者非靠近阵列化的弹性元件的中间安装；当所述阵列化的质量元件正好位于或者靠近阵列化的弹性元件的两端安装时，所述阵列化的阻尼元件在非位于或者非靠近阵列化的弹性元件的两端安装。
21.进一步地，所述质量元件的截面形状可为圆形、圆环形、方形、矩形、多边形。
22.进一步地，所述通孔的形状可为矩形、梯形、阶梯渐变形；阵列化的通孔将阵列化的弹性元件依次间隔开实现阵列化，即从前往后由弹性元件
‑
通孔依次拓展延伸开，或从前往后由通孔
‑
弹性元件依次拓展延伸开。
23.进一步地，所述基体结构的材质可为金属材料或非金属材料，典型的有钢、铁、铝合金、有机玻璃、塑料、复合材料。
24.进一步地，所述质量元件可由金属材料或非金属材料制成，典型的有钢、铁、铜、磁铁、石材。
25.进一步地，所述阻尼元件的材质可为单一的粘弹性材料，典型的有橡胶、聚氨酯，也可选用由粘弹性材料和约束层复合而成的分层约束阻尼材料。
26.本发明具有如下技术效果：
27.本发明用于波纹夹芯板减振降噪，为波纹夹芯板提供共形嵌入式超材料结构，该超材料结构兼具低频隔声、减振及声辐射抑制优良性能，并且加工制造成本低、安装便捷、可靠性高、不额外占用空间；同时还可以提升波纹夹芯板的刚度，从而提升结构承载能力；采用嵌入式共形安装还可以产生内部接触界面摩擦阻尼，从而进一步提升减振降噪效果；此外还可通过弹性元件或质量元件参数渐变设计、超材料结构多层渐进布置设计，方便地实现其低频减振降噪频带拓宽的功能。本发明克服了传统孤立式超材料结构加工及安装复杂、成本高昂、可靠性差、需占用额外空间、不便于实现低频宽带减振降噪效果等缺点。
附图说明
28.图1中(a)为本发明用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构安装于波纹夹芯板7的示意图，图1中(b)为本发明用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构的示意图；
29.图2为本发明用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构的正视图；
30.图3为局域共振微结构单元不同的结构示意图，图3中(c)和(d)分别为所述弹性元件不相同时的示意图，(e)为所述质量元件不相同时的示意图；
31.图4为共形嵌入式超材料装置在波纹夹芯板中不同的安装示意图，其中图4中(f)、
(g)和(h)分别为所述共形嵌入式超材料结构以单层、双层和多层方式安装的示意图；
32.图5为共形支撑子结构的不同结构示意图，其中图5中(i)和(j)分别为所述共形支撑子结构为均质板结构和穿孔板结构的对比图；
33.图6为安装有所述共形嵌入式超材料的波纹夹芯板和光波纹夹芯板的隔声量对比曲线图；
34.图7为安装有所述共形嵌入式超材料的波纹夹芯板和光波纹夹芯板的受迫振动位移响应对比曲线图。
35.附图备注：1
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基体结构；1a
‑
共形支撑子结构；1b
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弹性元件；2
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质量元件；3
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阻尼元件；4
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通孔；5
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一级特征角；6
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二级特征角；7
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波纹夹芯板。
具体实施方式
36.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更为清晰，下面结合附图、示意性实施例及其说明对本发明做进一步地解释。
37.参阅图1和图2，本发明供了用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构，所述共形嵌入式超材料结构包括基体结构1、阵列化排布的阻尼元件3和阵列化排布的通孔4，所述基体结构1包括阵列化排布的弹性元件1b和用于将所述共形嵌入式超材料结构稳固安装于波纹夹芯板7的芯层内部的共形支撑子结构1a；所述共形支撑子结构1a设置在阵列化排布的弹性元件1b两端，并与阵列化排布的弹性元件1b一体成型；阵列化排布的通孔4将阵列化排布的弹性元件1b依次间隔开实现阵列化排布，每个弹性元件1b上均设有质量元件2和阻尼元件3；每个弹性元件1b与设置在所述弹性元件上的质量元件2构成局域共振微结构单元，所述局域共振微结构单元阵列化排布使得所述共形嵌入式超材料结构能够产生局域共振效应，高效地抑制波纹夹芯板7中的弹性波传播，从而使得波纹夹芯板7具有很强的低频隔声能力，以及低频振动与辐射噪声抑制能力。
38.本发明借鉴超材料结构的设计思想，充分结合波纹夹芯板的结构特点，提出了用于实现波纹夹芯板低频减振降噪的一种共形嵌入式超材料结构，由此通过非常简便、低廉的加工及安装方式，就可以构建出一种超材料型复合波纹夹芯板结构，在具有高承载能力的同时，兼具优良的低频隔声、低频减振及低频声辐射抑制性能。本发明弥补了现有超材料结构减振降噪措施的不足，现有技术没有公开本发明中的用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构。
39.优选地，每个弹性元件1b上还均设有阻尼元件3；所述质量元件2紧固连接于阵列化的弹性元件1b；所述阻尼元件3贴敷在阵列化的弹性元件1b表面。
40.优选地，所述共形支撑子结构1a具有一级特征角5和二级特征角6。具体的，所述共形支撑子结构1a由依次相连的第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板相连，第一支撑板和第二支撑板之间具有一级特征角，第二支撑板和第三支撑板之间具有一级特征角，第一支撑板和阵列化排布的弹性元件相连且在同一平面上。所述共形支撑子结构1a的尺寸和一级特征角5、二级特征角6的大小依据波纹夹芯板7的芯层内部腔体几何构型确定，使得所述共形嵌入式超材料装置可以被嵌入在波纹夹芯板7的芯层内部腔体，并会受波纹夹芯板7的芯层腔壁的约束，产生预紧力，从而使得所述共形嵌入式超材料装置无需额外安装措施就能够自动稳固地安装于波纹夹芯板7的芯层内部。更优选的，所述共形支撑子结构1a与阵列化
排布的弹性元件一体成型设计而成。
41.优选地，在阵列化排布的弹性元件1b中，各个弹性元件的尺寸可以是相同的，也可以是不同的(参阅图3中(c)和图3中(d))；当弹性元件的尺寸不同时，可以使弹性元件的刚度不同，从而可以使所述共形嵌入式超材料结构产生双频或多频局域共振效应，进而实现双频或多频减振降噪效果；当各个弹性元件的尺寸被设计成逐渐递增或递减变化时，可以使得所述共形嵌入式超材料结构产生宽频渐变局域共振效应，从而实现宽频减振降噪效果。
42.优选地，在阵列化排布的质量元件2中，各个质量元件的尺寸可以是相同的，也可以是不同的(参阅图3中(e))；当质量元件的尺寸不同时，可以使得所述共形嵌入式超材料结构产生双频或多频局域共振效应，从而实现双频或多频减振降噪效果；当各个质量元件的尺寸被设计成逐渐递增或递减变化时，可以使得所述共形嵌入式超材料结构产生宽频渐变局域共振效应，从而实现宽频减振降噪效果。
43.优选地，参阅图4，所述共形嵌入式超材料结构可采用单层方式安装于所述波纹夹芯板7的芯层内部腔体中，也可采用双层或多层方式安装于波纹夹芯板7的芯层内部腔体中；当以双层或多层方式安装时，能够充分地利用波纹夹芯板7的芯层内部腔体空间，并可通过对不同层的共形嵌入式超材料结构的参数进行调控设计，就可以在不占用外部空间的条件下，实现双频、多频或宽频减振降噪效果。
44.优选地，所述共形嵌入式超材料结构可安装于所述波纹夹芯板7的芯层内部每一个腔体，也可有选择性地安装于其中部分腔体(参阅图1中(a))；不同腔体中安装的所述共形嵌入式超材料结构，其构型及参数可以相同，也可以不同。
45.优选地，可以通过设计所述共形支撑子结构1a的尺寸、一级特征角5的大小、二级特征角6的大小来增加所述共形嵌入式超材料结构的安装预紧力，从而提高所述波纹夹芯板7的结构刚度及承载能力。
46.优选地，在振动或噪声激励作用下，所述共形支撑子结构1a与波纹夹芯板结构7的接触面可发生摩擦，产生阻尼耗能效果，从而提升结构的减振降噪性能；还可以通过人为增加共形支撑子结构1a的表面粗糙度，来增强摩擦效应，进一步提升阻尼效果和减振降噪性能。
47.优选地，参阅图5，所述共形支撑子结构1a可以是均质板结构，也可以是存在孔洞的穿孔板结构或穿缝板结构。
48.优选地，所述质量元件2可以只安装于每个弹性元件1b的单面，也可以同时安装于每个弹性元件1b的双面。
49.优选地，所述阻尼元件3可以只安装于每个弹性元件1b的单面，也可以同时安装于每个弹性元件1b的双面。
50.优选地，所述质量元件2可以正好位于或者靠近每个弹性元件1b的中间安装，也可以正好位于或者靠近每个弹性元件1b的两端安装。
51.优选地，当所述质量元件2正好位于或者靠近阵列化的弹性元件1b的中间安装时，所述阻尼元件3在非位于或者非靠近每个弹性元件1b的中间安装；当所述质量元件2正好位于或者靠近每个弹性元件1b的两端安装时，所述阻尼元件3在非位于或者非靠近每个弹性元件1b的两端安装。通过调整所述阵列化的阻尼元件3的尺寸和贴敷位置可以来调节其阻
尼效果。
52.优选地，所述阵列化的质量元件2的截面形状可为圆形、圆环形。
53.优选地，所述阵列化的通孔4的形状可为矩形、梯形，阵列化的通孔4将阵列化的弹性元件1b依次间隔开实现阵列化，即从前往后由阵列化的弹性元件1b
‑
阵列化的通孔4依次拓展延伸开，或从前往后由阵列化的通孔4
‑
阵列化的弹性元件1b依次拓展延伸开。
54.优选地，所述基体结构1的材质可为金属材料或非金属材料，典型的有钢、铁、铝合金、有机玻璃、塑料、复合材料。
55.优选地，所述质量元件2可由金属材料或非金属材料制成，典型的有钢、铁、铜、磁铁、石材。
56.优选地，所述阻尼元件3的材质可为单一的粘弹性材料，典型的有橡胶、聚氨酯，也可选用由粘弹性材料和约束层复合而成的分层约束阻尼材料。
57.以下结合具体实施例，对本发明提供的用于波纹夹芯板低频减振降噪的嵌入式超材料结构进行详细说明。
58.实施例1：
59.阵列化的弹性元件1b的形状选为矩形，长76mm，宽20mm，厚度0.8mm，材料为钢；阵列化的质量元件2的截面形状选为矩形，长20mm，宽20mm，其高度按照20mm，材料为钢；为计算方便，将贴敷在弹性元件1b上的阻尼元件3等效为弹性元件的阻尼，取损耗因子为0.1；阵列化的通孔4的形状为矩形，长76mm，宽10mm；针对某型高速列车的地板铝型材这种典型的波纹夹芯板结构开展隔声研究，其总厚度约为80mm，上下表面面板和芯层腹板的厚度分别约为5mm和3mm，一个元胞的跨度约为130mm，隔声计算时，施加周期边界条件。计算结果参阅图6，相比于光夹芯板，在210～280hz的较宽低频范围内，安装有所述共形嵌入式超材料结构的波纹夹芯板结构隔声量均提升了8db以上，并且在260hz左右，隔声量最大提升超过16db。
60.实施例2：
61.阵列化的弹性元件1b的形状选为矩形，长76mm，宽20mm，厚度0.8mm，材料为钢；阵列化的质量元件2的截面形状选为矩形，每个质量元件的长度和宽度均为20mm，其高度有三种，分别为25mm、15mm、10mm，按照25mm
‑
15mm
‑
10mm
‑
25mm
……
的方式依次排列，材料为钢；为计算方便，将贴敷在弹性元件1b上的阻尼元件3等效为弹性元件的阻尼，取损耗因子为0.1；阵列化的通孔4的形状为矩形，长76mm，宽10mm；针对案例1中的波纹夹芯板结构开展减振研究，选取结构长度1440mm，在结构一端施加单位边载荷。振动位移响应计算结果参阅图7，相比于光夹芯板，在230～390hz的较宽低频范围内，安装有所述共形嵌入式超材料结构的波纹夹芯板结构振动位移响应均降低了10db以上，在277hz左右，位移响应最多降低了46db。
62.结果表明：本发明的用于波纹夹芯板低频减振降噪的共形嵌入式超材料结构在目标低频段具有卓越的减振降噪能力，并且可以通过弹性元件或质量元件渐进设计、超材料结构多层渐进布置设计实现其低频共振频带拓宽的功能。
63.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一级”、“二级”仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件的优劣或先后顺序。同理这些术语不能理解为对本发明的限制。
65.以上所述，仅为本发明优选地具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域相关技术人员基于或借鉴本发明思想轻易获得的各种变型或同等布置的其他实施例，均属于本发明保护的范围。