CN108597488A - 一种高速列车地板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速列车地板，其特征在于：所述地板包括车内地板、保温材料、多孔吸声材料、三角形铝型框架、穿孔金属圆柱体、三维准声子晶体以及填充材料；所述穿孔金属圆柱体内安装有一个三维准声子晶体；所述三角形铝型框架和穿孔金属圆柱体内的空腔均采用填充材料填充；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。

Description

一种高速列车地板
技术领域
本发明涉及一种高速列车地板，特别是涉及一种基于三维声子晶体的减振降噪高速列车地板。
背景技术
随着我国大力推进高速列车的研发，高速列车的速度也在逐渐增加。与此同时，列车运行时的所产生的振动与噪声也越来越大，从而使得传递至车厢内的振动与噪声超标，严重影响了乘客的身心健康和旅行舒适性，同时也大大制约了我国高速铁路的进一步快速发展。列车地板作为吸收和隔绝车厢外部振动与噪声的重要部件之一，越来越受到人们的广泛重视，因此对列车地板的减振降噪性能要求越来越高。然而，现有的高速列车地板外壳多采用铝型或合金框架，内腔多采用软木或聚氨酯等隔声材料，无法满足现有的高速列车振动噪声控制要求。因此，亟需一种具有优良减振降噪性能的高速列车地板来阻隔外部振动与噪声，保证车厢内旅客的身心健康和乘车舒适性。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种利用三维准声子晶体减振降噪的高速列车地板，该减振降噪高速列车地板通过采用三维准声子晶体实现了减振降噪的技术目的。
本发明目的实现由以下技术方案完成：一种高速列车地板，其特征在于：所述地板包括车内地板、保温材料、多孔吸声材料、三角形铝型框架、穿孔金属圆柱体、三维准声子晶体以及填充材料；所述穿孔金属圆柱体内安装有一个三维准声子晶体；所述三角形铝型框架和穿孔金属圆柱体内的空腔均采用填充材料填充；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。
进一步地，其特征在于：所述车内地板的材质为木地板或夹芯铝地板。
进一步地，其特征在于：所述的保温材料的材质为超长纤维棉或三聚氰胺。
进一步地，其特征在于：所述的多孔吸声材料的材质为有机纤维材料、麻棉毛毡或氨基甲酸脂泡沫塑料。
进一步地，其特征在于：所述穿孔金属圆柱体开有五个凹槽，且每个穿孔金属圆柱体均通过螺栓来实现与三角形铝型框架之间的连接。
进一步地，其特征在于：所述穿孔金属圆柱体的圆心与各所述凹槽之间的距离和夹角均相等。
进一步地，其特征在于：所述三维准声子晶体呈五棱柱形；所述三维准声子晶体包括若干个第一声子晶体单元以及若干个第二声子晶体单元；所述第一声子晶体单元以及所述第二声子晶体单元在所述三维准声子晶体的轴向、径向以及圆周方向均交替排列。
进一步地，其特征在于：所述第一声子晶体单元和第二声子晶体单元的声阻抗不相同，从而形成声阻抗梯度。
进一步地，其特征在于：所述第一声子晶体单元的材质为尼龙或压电陶瓷；所述第二声子晶体单元的材质为弹性材料。
进一步地，其特征在于：所述第一声子晶体单元包括尼龙以及混合在所述尼龙材料内部的空心微珠，空心微珠直径为5-10μm。
进一步地，其特征在于：所述第一声子晶体单元包括压电陶瓷芯材以及设置在所述压电陶瓷芯材表面的金属膜。
进一步地，其特征在于：所述第二声子晶体单元包括空心微珠和弹性材料的混合物；在所述第二声子晶体单元中所述空心微珠与所述弹性材料的体积比为1:2。
进一步地，其特征在于：所述第二声子晶体单元为纯铜丝和弹性材料的混合物；在所述第二声子晶体单元中所述纯铜丝与所述弹性材料的重量比为2:1。
进一步地，其特征在于：所述弹性材料为有机玻璃或环氧树脂。
进一步地，其特征在于：所述填充材料的材质为玻璃丝棉或脲醛泡沫塑料。
1)本发明的优点是：(1)列车地板内的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地抑制地板结构和振动以及二次辐射噪声，从而使得传递至车厢内的振动和噪声得到有效的控制。(2)一种新型的减振降噪材料—声子晶体，安装于三角形铝型框架内部，弥补了声子晶体结构易腐蚀、易被破坏的缺点，使得本发明具有工厂化预制、安装方便、减振降噪性能良好且使用寿命长等优点，从而能够保证在列车高速行驶状态下乘客的舒适性。
附图说明
图1为本发明中整体结构的剖视图；
图2为本发明中穿孔金属圆柱体、三维准声子晶体以及多孔吸声材料的剖视图；
图3为本发明中三维准声子晶体的侧视图；
图4为本发明中穿孔金属圆柱体的侧视图。
图中标记如下：1-车内地板、2-保温材料、3-多孔吸声材料、4-三角形铝型框架、5-填充材料、6-穿孔金属圆柱体、7-三维准声子晶体、7-1-第一声子晶体单元、7-2-第二声子晶体单元、8-螺栓、9-盖板、10-1-卡扣、10-2-卡扣、11-弹开式按钮。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-3，图中标记1-8分别为：车内地板1、保温材料2、多孔吸声材料3、三角形铝型框架4、填充材料5、穿孔金属圆柱体6、三维准声子晶体7、第一声子晶体单元7-1、第二声子晶体单元7-2，螺栓8，盖板9，卡扣10-1，卡扣10-2，弹开式按钮11。
实施例1：
如图1、2，示出了本发明实施例1的列车地板，该列车地板包括车内地板1、保温材料2、多孔吸声材料3、三角形铝型框架层、填充材料5、穿孔金属圆柱体6以及三维准声子晶体7；
其中车内地板1、保温材料2、多孔吸声材料3、三角形铝型框架层从上往下依次排列，其中三角形铝型框架层包括多个三角形框架4，每个三角形铝型框架4截面呈等腰三角形状，其中均放置一个由填充材料5、穿孔金属圆柱体6和三维准声子晶体7组成的声子晶体结构，并按一定周期进行排布；
优选地，其中三维准声子晶体7呈棱柱形,图示为五棱柱形，但实际不限于该数量。
其中穿孔金属圆柱体6由轻质材料(例如铝或铝合金等)制成，表面穿孔率为50％-70％；由于三维准声子晶体7位于穿孔金属圆柱体6内部，杜绝了三维准声子晶体7与外部雨水和空气直接接触，从而避免了三维准声子晶体7被侵蚀，增加了三维准声子晶体7的寿命。
填充材料5由玻璃丝棉或脲醛泡沫塑料制成。
三角形铝型框架4的材质和形状不限于铝和三角形，也可以是铝合金或其他轻质材料，形状可以是矩形、梯形等等。
如图1、2所示，穿孔金属圆柱体6开有多个凹槽(优选为与棱柱面对应数量的凹槽，图中为五个凹槽)，为了防止三维准声子晶体7在三角形铝型框架4内晃动，每个凹槽均三维准声子晶体7表面的凹槽相吻合中。在优选的方案中,凹槽的底部具有多个开孔，其露出三维准声子晶体7的表面，并且，两侧壁相对于凹槽中心线分别倾斜15-20度，形成凹槽顶部比底部宽的结构，试验证明，这样噪声的吸收效果更优。
每个穿孔金属圆柱体6内部均包含填充材料5和三维准声子晶体7；一个方案中，如图4所示，三维准声子晶体7通过穿孔金属圆柱体6的顶部开口处装入，并在穿孔金属圆柱体6的顶部设置有盖板9、卡扣10-1、卡扣10-2和弹开式按钮11，该设计为声子晶体7的装入和取出提供了很大的便利。在另一个方案中(图中未示出)，三维准声子晶体不用从轴向装入，而是从打开的穿孔金属圆柱体6直接装入，这样拆装更加方便，具体来说，穿孔金属圆柱体6为至少两个弧形结构连接构成，所述弧形结构在其相互的连接处可以进行一定的弯折(例如穿孔金属圆柱体为弹性较好的材料一体形成，或者在连接处为弹性较好的材料，例如钢)，相隔最远的两个弧形结构的侧边可以通过机械结构连接在一起，进而形成圆柱形结构。优选地，所述至少两个弧形结构为两个半圆柱形结构。在需要装入填充材料5和三维准声子晶体7时，将穿孔金属圆柱体6打开，在装入后，将相隔最远的两个弧形结构的侧边连接固定。所述连接固定方式可以为螺栓，在一优选的方案中，两侧边分别具有能够嵌合在一起的凹坑凸起。
优选地，所述穿孔金属圆柱体6的圆心与各所述凹槽之间的距离和夹角均相等，这样形成的对称结构吸声效果更好。
其中，每个穿孔金属圆柱体6均通过螺栓8来实现与三角形铝型框架4之间的连接；
如图1、2所示，本实施例中三维准声子晶体7为Bragg型声子晶体，其具有弹性波禁带的特性，因此三维准声子晶体7可有效的抑制由于列车高速运行所产生的振动及噪声。
如图3所示，本实施例中的三维准声子晶体7由多个第一声子晶体单元7-1和第二声子晶体单元7-2紧密拼接构成；第一声子晶体单元7-1和第二声子晶体单元7-2具有不同的声阻抗，优选地，本实施例中第一声子晶体单元7-1的声阻抗大于第二声子晶体单元7-2的声阻抗，从而形成了一个声阻抗梯度，更加有利于结构振动噪声的吸收。
第一声子晶体单元7-1的材质为尼龙材料和空心微珠；第二声子晶体单元7-2由空心微珠和弹性材料制成；弹性材料可以是有机玻璃或环氧树脂。
具体的，在五棱柱形的三维准声子晶体7中，每个第一声子晶体单元7-1和每个第二声子晶体单元7-2在三维准声子晶体7的轴向、径向以及圆周方向均交替排列，这种排列方式使得三维准声子晶体7具有布拉格散射型衰减域，因此衰减域范围内的弹性波将发生相消干涉，无法在三维准声子晶体7的周期性结构中进行传递，从而使得列车地板中的径向、扭转和轴向弹性波无法传播，使得列车地板的振动与噪声得到有效控制；因此三维准声子晶体7能够显著减小列车高速运行时地板所产生的振动与噪声。
具体的，当列车运行时，外部传入的噪声首先经过穿孔金属圆柱体6内的填充材料5进行吸收，再传入三维准声子晶体7内；每个三维准声子晶体7中的第一声子晶体单元7-1和第二声子晶体单元7-2均由尼龙和空心微珠组成；当噪声传入三维准声子晶体7内时，声波遇到空心微珠将会发生散射，使得声波能量产生耗散，从而可以有效的减小车体外部噪声传入车厢内部。剩余噪声将继续传入到多孔吸声材料3中，声波将在多孔吸声材料3中发生多次反射，从而进一步耗散噪声的能量，最终使得传入车厢内部的噪声得到大幅度的衰减。
实施例2：如图1至3所示，本实施例中，第一声子晶体单元7-1和第二声子晶体单元7-2的排列方式和实施例1相同；二者的区别在于第一声子晶体单元7-1和第二声子晶体单元7-2的结构组成。
在本实施例中，第一声子晶体单元7-1包括压电陶瓷芯材以及设置在压电陶瓷芯材表面的纯铜金属膜；当振动波传播至第一声子晶体单元7-1时，压电陶瓷芯材会在振动波的作用下产生振动，并将部分振动能量转化为电能，纯铜金属膜可立即将压电陶瓷表面的电荷通过电阻效应转换为热能，从而起到减震降噪的效果。为了快速地将第一声子晶体单元7-1产生的热能发散掉，在第一声子晶体单元7-1和/或第二声子晶体单元7-2的弹性材料中掺入导热率较高纯铜丝，从而使得第一声子晶体单元7-1的热量快速传出和/或第二声子晶体单元7-2可以快速地将热量发散到周边环境中；纯铜丝和弹性材料的重量比为2:1；本实施例中弹性材料可以采用有机玻璃或环氧树脂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种高速列车地板，其特征在于：所述地板包括车内地板、保温材料、多孔吸声材料、三角形铝型框架、穿孔金属圆柱体、三维准声子晶体以及填充材料；所述穿孔金属圆柱体内安装有一个三维准声子晶体；所述三角形铝型框架和穿孔金属圆柱体内的空腔均采用填充材料填充；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。
2.根据权利要求1所述的高速列车地板，其特征在于：所述车内地板的材质为木地板或夹芯铝地板。
3.根据权利要求1所述的高速列车地板，其特征在于：所述的保温材料的材质为超长纤维棉或三聚氰胺。
4.根据权利要求1所述的高速列车地板，其特征在于：所述的多孔吸声材料的材质为有机纤维材料、麻棉毛毡或氨基甲酸脂泡沫塑料。
5.根据权利要求1所述的高速列车地板，其特征在于：所述穿孔金属圆柱体开有五个凹槽，且每个穿孔金属圆柱体均通过焊接来实现与三角形铝型框架之间的连接。
6.根据权利要求5所述的高速列车地板，其特征在于：所述穿孔金属圆柱体的圆心与各所述凹槽之间的距离和夹角均相等。
7.根据权利要求1所述的高速列车地板，其特征在于：所述三维准声子晶体呈五棱柱形；所述三维准声子晶体包括若干个第一声子晶体单元以及若干个第二声子晶体单元；所述第一声子晶体单元以及所述第二声子晶体单元在所述三维准声子晶体的轴向、径向以及圆周方向均交替排列。
8.根据权利要求7所述的高速列车地板，其特征在于：所述第一声子晶体单元和第二声子晶体单元的声阻抗不相同，从而形成声阻抗梯度。
9.根据权利要求7所述的高速列车地板，其特征在于：所述第一声子晶体单元的材质为尼龙或压电陶瓷；所述第二声子晶体单元的材质为弹性材料。
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