CN112951190B - 一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置 - Google Patents

一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置，包括第一变截面段管路、直管段管路、第二变截面段管路，直管段管路的两端分别连接第一变截面段管路和第二变截面段管路，第一变截面段管路和第二变截面段管路的直径沿背离直管段管路的方向增大，以形成靠近直管段管路一端的最小截面和远离所述直管段管路一端的最大截面，直管段管路外壁沿周向设有局域振子，局域振子包括局域振子质量单元和局域振子弹性单元，局域振子弹性单元夹设于所述直管段管路和局域振子质量单元之间。局域振子弹性单元与局域振子质量单元结合，从而形成宽带低频带隙。弹性单元与质量单元径向与轴向排列，能降低扭转振动、径向振动、轴向振动。

Description

一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置
技术领域
本发明涉及的是一种减振装置，具体地说是管路减振装置。
背景技术
声学超材料的研究起源于局域共振型声子晶体。局域共振型声子晶体这一概念最早在2000年被提出。人为地将局域共振单元周期性地排列在弹性介质中就可以构造一个简易的局域共振型声子晶体模型，通过研究发现，其可以在某些特殊范围内形成低频带隙。到了2004年，声学超材料的概念才首次被提出。一种用软硅橡胶散射体埋入水中所形成的新型声子晶体可以在一定的频率范围内表现出特殊的声学参数特性，会出现等效质量密度及等效体积模量都为负的情况。它能够在结构尺寸的亚波长频带内产生低频局域共振带隙，该特性可实现通过小尺寸结构对低频振动噪声进行控制。目前最常见的构造声学超材料的方式是在基体材料中有规律地或者说周期性地安插可以产生局域共振效应的结构单元。
在管路***中，中高频的振动及噪声就目前技术而言可以得到很好的控制，如在管道的下游位置安装***等。此外，增设缓冲器、设置孔板、滤波器等也可用于抑制管路振动。而低频振动噪声传播距离远、衰减程度小、能量过于集中，因此对于低频振动噪声的控制存在相当大的难度。传统的吸声隔声材料对于低频振动噪声的控制效果并不好，然而，声学超材料作为一种新型的轻质隔声材料，可以在一定程度上解决低频振动噪声不易控制的难题。
综上所述，目前对于管路的中高频振动已有一定的研究基础，但低频减振效果并不理想。传统等截面声学超材料的局域共振带隙带宽窄，其能有效控制的振动噪声频率范围小，这一问题严重限制了声学超材料在工程中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供将声学超材料的减振机理与管路***的振动控制问题结合，将这种周期结构运用到变截面管路中，实现100Hz以下低频振动控制的一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置，其特征是：包括第一变截面段管路、直管段管路、第二变截面段管路，直管段管路的两端分别连接第一变截面段管路和第二变截面段管路，且三者同轴，第一变截面段管路和第二变截面段管路的直径沿背离直管段管路的方向增大，以形成靠近直管段管路一端的最小截面和远离所述直管段管路一端的最大截面，直管段管路外壁沿周向设有局域振子，局域振子包括局域振子质量单元和局域振子弹性单元，局域振子弹性单元夹设于所述直管段管路和局域振子质量单元之间。
本发明还可以包括：
1、第一变截面段管路和第二变截面段管路的材料为铝，直管段管路材料为橡胶，第一变截面段管路和第二变截面段管路与直管段管路之间粘接，局域振子弹性单元材料为橡胶，局域振子质量单元材料为铜。
2、局域振子弹性单元沿轴向方向的长度小于直管段管路沿轴向方向的长度，局域振子设于直管段管路的中部。
3、第一变截面段管路长度、直管段管路长度与第二变截面段管路长度相等；局域振子质量单元外径与第一变截面段管路和第二变截面段管路外径相等。
本发明的优势在于：
1.由于局域共振型声学超材料具有低频特性，因此本发明中，局域振子弹性单元与局域振子质量单元结合，从而形成宽带低频带隙。
2.本发明可实现多个频带的减振。
3.本发明中变截面管路可以用于改变质量流量。
4.弹性单元与质量单元径向与轴向排列，能降低扭转振动、径向振动、轴向振动等，任何方向的波形式在带隙范围内均不能传播。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为用数值方法计算得到振子宽度为0.1m时，变截面管路减振装置的能带图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-2，本发明包括直管段管路1、变截面段管路2、局域振子3，其中局域振子3包括局域振子质量单元31和局域振子弹性单元32。变截面段管路2设于所述直管段管路1的两端，且所述变截面段管路2与所述直管段管路1同轴，所述变截面段管路2的直径沿背离所述直管段管路1的方向增大，以形成靠近所述直管段管路1一端的最小截面和远离所述直管段管路1一端的最大截面。局域振子弹性单元32夹设于所述直管段1和所述局域振子质量单元31之间。局域振子弹性单元32沿轴向方向的长度与所述局域振子质量单元31沿轴向方向的长度相同。所述局域振子弹性单元32沿轴向方向的长度小于所述直管段管路1沿轴向方向的长度。
局域振子3安装在变截面管路***中的直管段，位置居中，所述局域振子由弹性单元外连接质量单元构成。
左侧变截面管路长度为L1，中间直管段管路长度为L2，右侧变截面管路长度为L3，L1＝L2＝L3；
变截面段管路最小截面的直径与所述直管段管路的直径大小相同。
局域振子弹性单元与局域振子质量单元沿轴向方向长度相同，均为L，且整***于直管段中心即整体变截面管路中心；
局域振子质量单元外径为R6，局域振子弹性单元外径为R5，直管段管路外径R4，直管段管路内径R3，变截面管路外径为R2，变截面管路内径为R1，R6＝R2；
三段管路与局域振子同轴设置。
管路管壁具有一定厚度。
为更好的对管路进行减振，在所述变截面管路两端设为周期性边界条件，因此实现周期性排列的减振结构单元。
局域振子质量单元和局域振子弹性单元的尺寸均不同。本发明减振结构基于局域共振机理，其可将结构中局域振子弹性单元与局域振子质量单元简化成由质量和弹簧组成的振动***，弹性单元与质量单元尺寸不同就可以产生不同谐振频率，因此可以对多个频率点进行减振。
本实施方案中，变截面段管路材料为铝，直管段管路材料为橡胶，变截面段管路与直管段管路之间粘接，局域振子弹性单元选取材料为橡胶，局域振子质量单元选取材料为铜，局域振子弹性单元与局域振子质量单元粘接成局域共振单元，局域振子安装在直管段中心，管路内部为空气域。
通过局域共振带隙和Bragg带隙的相互作用实现该装置的低频宽带效果，当管路材料与结构参数固定时，可设计不同局域振子的宽度、半径及局域振子弹性单元与局域振子质量单元的材料，同样可以实现该装置带隙的低频宽带效果。
选取该装置的结构尺寸如下表所示。
Figure BDA0002944930560000041
通过商用有限元软件计算本发明的带隙频率范围为30-41Hz、43-52Hz，总带宽20Hz，能带图如图2所示。

Claims (5)

1.一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置，其特征是：包括第一变截面段管路、直管段管路、第二变截面段管路，直管段管路的两端分别连接第一变截面段管路和第二变截面段管路，且三者同轴，第一变截面段管路和第二变截面段管路的直径沿背离直管段管路的方向增大，以形成靠近直管段管路一端的最小截面和远离所述直管段管路一端的最大截面，直管段管路外壁沿周向设有局域振子，局域振子包括局域振子质量单元和局域振子弹性单元，局域振子弹性单元夹设于所述直管段管路和局域振子质量单元之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置，其特征是：第一变截面段管路和第二变截面段管路的材料为铝，直管段管路材料为橡胶，第一变截面段管路和第二变截面段管路与直管段管路之间粘接，局域振子弹性单元材料为橡胶，局域振子质量单元材料为铜。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置，其特征是：局域振子弹性单元沿轴向方向的长度小于直管段管路沿轴向方向的长度，局域振子设于直管段管路的中部。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置，其特征是：第一变截面段管路长度、直管段管路长度与第二变截面段管路长度相等；局域振子质量单元外径与第一变截面段管路和第二变截面段管路外径相等。
5.根据权利要求3所述的一种基于声学超材料的变截面管路低频宽带减振装置，其特征是：第一变截面段管路长度、直管段管路长度与第二变截面段管路长度相等；局域振子质量单元外径与第一变截面段管路和第二变截面段管路外径相等。
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