CN108999101A - 一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，它包括外支架、声子晶体吸振装置、声子晶体传振装置、第一吸振腔以及第二吸振腔；外支架通过大刚度弹簧连接在箱梁腹板上，声子晶体吸振装置与第一吸振腔、第二吸振腔通过声子晶体传振装置连接，外支架底座利用自带的T型轴结构与箱梁底板上加工的T型槽连接。本发明整体结构简单、制造方便、对工作环境的要求较低，可以用于降低高速铁路列车通过箱梁桥时产生的振动与噪声，改善箱梁的振动特性，改善工人工作环境等。本发明振动隔离。

Description

一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器

技术领域

本发明属于减振降噪领域，具体涉及一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器。

背景技术

当前我国高速铁路已进入快速发展时代，随着列车运行速度的提高，高速列车与轨道结构的动态相互作用显著加剧，与此同时，由于地形的复杂性，我国大多数高铁都采用了高架结构，其中又以箱型梁桥结构为主，当高铁通过高架箱型梁桥时会产生剧烈的振动，从而引起箱梁结构的振动，直接影响到桥梁结构的寿命和行车的安全性，同时高铁穿越居民区和城区时所引起的环境振动和噪声污染对沿线临近居民的工作与生活健康、临近建筑物和精密仪器的正常使用等造成了不利影响，成为最具代表性的环境问题。

声子晶体是由两种或两种以上弹性介质按不同晶格周期列复合的材料。在声子晶体中，密度和弹性常数不同的材料按结构周期性复合在一起，相互不连通的材料称为散射体，连通为一体的材料称为基体。声子晶体很重要的一个特性就是“缺陷态”特性：声子晶体理想周期结构的破坏称为缺陷。缺陷按其维数一般可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。一维声子晶体的缺陷主要由层状周期结构中局部结构周期性的改变形成的，比如在完整的一维声子晶体结构中移除任意位置的散射体，从而组成“点缺陷”结构，将振动局域在这一点；或者在完整的一维声子晶体结构中移除任意一列位置的散射体，从而组成“线缺陷”结构，振动将只能沿这条线传播。当声子晶体中存在缺陷时，其带隙内将产生所谓的缺陷态，带隙内的弹性波只能被局域在缺陷处或沿缺陷传播。缺陷态的存在会对声子晶体的带隙特性产生重要的影响。利用其缺陷态特性，可进一步优化设计声子晶体结构，从而设计出隔振效果更好的结构。

高速列车在桥上运行时，除产生明显轮轨噪声外，还会导致桥梁结构振动并产生噪声，后者通常称为结构噪声。桥梁振动反作用于车辆上，使得车辆的平稳性与安全性受到影响，过大的桥梁振动会使评价车辆平稳性与安全性的各指标严重超限，危及列车的运行安全，同时，桥梁结构振动也是桥梁结构设计时需考虑的重要因素。振动是噪声之源，减小桥梁结构振动，能达到降低桥梁结构噪声的目的，因此，找到减少桥梁结构振动的合理措施，可延长桥梁结构的寿命，又保障了列车运行的安全与舒适，这对铁路桥梁结构的设计建造乃至轨道交通的发展都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供降低中高频域内振动的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，具体而言：本发明提供一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：包括外支架、声子晶体吸振装置、声子晶体传振装置、第一吸振腔以及第二吸振腔，所述声子晶体吸振装置、声子晶体传振装置采用种基于缺陷型声子晶体结构。

进一步地，其特征在于：外支架通过大刚度弹簧连接在箱梁腹板上，声子晶体吸振装置与第一吸振腔、第二吸振腔通过声子晶体传振装置连接。

进一步地，其特征在于：外支架底座利用自带的T型轴结构与箱梁底板上加工的T型槽连接

进一步地，其特征在于：声子晶体吸振装置以及声子晶体传振装置上加工有圆孔型凹槽，凹槽内装有环状散射体薄片。

进一步地，其特征在于：外支架内布置有多个缓冲装置。

进一步地，其特征在于：第二吸振腔内布置有多个有孔空心球，球内布置有多个高阻尼的弹性小球。

进一步地，其特征在于：通过在完整声子晶体周期结构中移除中间位置的散射体来引入“点缺陷”，组成声子晶体吸振装置；

进一步地，其特征在于：通过在完整声子晶体周期结构中移除任意一列散射体来引入“线缺陷”，组成声子晶体传振装置；

进一步地，其特征在于：所述的声子晶体吸振以及传振装置的基体由树脂类材料制成，环状薄片式散射体由铝或铅材料制成。

本发明的有益效果是：

1.将声子晶体结构引入到高架轨道交通减隔振领域，利用声子晶体结构“缺陷态”特性，实现了振动的隔离；

2.通过将两种不同缺陷型声子晶体结构的优化组合，极大地提高了隔振效率，其中：(1)通过引入“点缺陷”声子晶体结构，可将振动局域在缺陷处。

(2)再引入“线缺陷”声子晶体结构，使得局限在上述“点缺陷”处的振动波

能够通过“线缺陷”轨迹传递给下部的减振腔中。

3.通过设置缓冲装置，第一吸振腔内的弹性支撑件以及第二吸振腔内的高阻尼小球，实现了三级隔振的效果，大大提高了隔振效率。

4.本发明结构简单，易于安装和拆卸

附图说明

图1是本发明的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器立体结构示意图；

图2是外支架内缓冲装置的布置放大示意图；

图3是第一吸振腔内弹性支撑件放大示意图；

图4使弹性支撑件剖面布置图；

图5是第二吸振腔内部结构放大示意图；

图6是外支架与箱梁腹板连接平面示意图。

图7是缺陷型声子晶体吸振、传振装置截面示意图；图3-1为完整周期声子晶体结构平面示意图，图3-2为“点缺陷”声子晶体结构平面示意图，图3-3为“线缺陷”声子晶体结构平面示意图

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器包括外支架1、声子晶体吸振装置3、声子晶体传振装置4、第一吸振腔5以及第二吸振腔6；

其中，声子晶体吸振装置3和声子晶体传振装置4表面加工有圆孔型凹槽，环状散射体薄片3a和4a周期布置在凹槽内。

外支架1通过大刚度弹簧9连接在安装在箱梁腹板11上的对接装置10上，声子晶体吸振装置3与第一吸振腔5、第二吸振腔6通过声子晶体传振装置4连接，外支架底座利用自带的T型轴结构7与箱梁底板上加工的T型槽连接。

优选地，外支架1与箱梁腹板11上的对接装置10上均加工有与连接弹簧9相匹配的挂钩结构，通过连接弹簧9，将外支架1整体悬挂在箱梁腹板11上。如此设置，便于通过实现更换连接弹簧9，从而使整体结构的安装和拆卸更为简便。同时，连接弹簧9选用高强度、大刚度的材料制成，能够在一定程度上降低列车过桥时箱梁产生的振动而引起所述的箱梁减振器的额外振动。

优选地，外支架1底座上加工有T型轴结构7，通过所述的T型轴结构7能够嵌入箱梁底板上加工的与之匹配的T型槽，起到一个辅助安装与拆卸的使用。

优选地，外支架1内布置有多个缓冲装置2，缓冲装置2包括缓冲杆2c、缓冲球2d以及缓冲底座2e。当振动传入时，由缓冲杆2c传递至缓冲球2d上，引起缓冲球2d在缓冲底座2e上摆动，通过缓冲球2d与缓冲底座2e之间的摩擦消耗振动能量，在一定程度上可以起到振动衰减的作用。外支架左右两悬臂内等间距加工有空心圆柱孔槽，空心圆柱高度约为外支架悬臂高度的一半，空心圆柱顶部孔槽为螺纹状，每个孔槽还布置有与之匹配的孔帽2a，孔帽2a内加工有固定连接弹簧2b的挂钩结构。缓冲杆2c与缓冲球2d之间焊接为一体，缓冲杆2c通过连接弹簧2b与孔帽2a连为一体，孔帽2a上加工有与空心圆柱顶部螺纹孔槽相匹配的螺纹，用于布置缓冲装置，缓冲装置的布置深度与空心圆柱的高度一致。选用连接弹簧而不是固定连接结构，是为了确保缓冲杆连接缓冲球部分在振动激励下能够发生左右倾摆，从而与缓冲槽摩擦消耗振动能量，实现缓冲作用。

优选地，第一吸振腔5的空心部分内布置有多个弹性支撑件，弹性支撑件在第一吸振腔内竖向布置，弹性支撑件包括弹性筒夹5b和滑动安装在弹性筒夹5b内的滑动柱结构5a，弹性筒夹5b内填充有橡胶阻尼材料5c，弹性筒夹底部锥面结构内布置有竖向弹簧组5d。滑动柱结构5a嵌套在弹性筒夹5b内，弹性筒夹5b的底部为弹性活动夹口，滑动柱结构5b的底部与所述弹性活动夹口滑动配合。当振动传入时，振动会使第一减振腔产生竖向和水平位移，从而会产生竖向和水平两个方向的分力，其中，水平分力会给弹性筒夹5b施加压力，由于弹性筒夹5b内填充有橡胶阻尼材料5c，使得弹性筒夹5b产生水平阻尼，起到水平减振的作用；竖向分力会使得弹性筒夹5b产生收缩变形，此时由于弹性筒夹5b内布置的竖向弹簧组5d的挤压作用，使得滑动柱结构5a向下运动，由于第一吸振腔5底部结构的约束从而使得滑动柱结构5a产生竖向阻尼，起到竖向减振作用。

优选地，第二吸振腔内6布置有多个有孔空心球6a，球内布置有多个高阻尼的弹性小球6b。当振动传入时，通过空心球6a表面的小孔将振动传递进入，从而能够使球内布置有的多个高阻尼弹性小球6b振动，消耗能量，很大程度上实现了振动的衰减。

结合图7说明，本实施方式的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器中缺陷型声子晶体结构的引入方式。

通过将完整周期声子晶体结构中间位置的两个散射体移除，改变了其本身的周期性，产生了缺陷，从而组成了“点缺陷”声子晶体吸振装置，从而将振动局域限制在中间部位。

通过将完整周期声子晶体结构任意一列的散射体移除，改变其本身的周期性，产生了缺陷，从而组成了“线缺陷”声子晶体传振装置，将之前所述的局限在“点缺陷”声子晶体吸振装置中间部位的振动波通过这条“线缺陷”的轨迹传递至下部的第一吸振腔和第二吸振腔中。

优选地，两类声子晶体装置的散射体3a和4a为与装置表面加工圆孔型凹槽相匹配的环状薄片结构。如此设置，方便加工的同时，周期材料散射体的周期数也大大增加，带隙内的隔振效果显著提高。

优选地，所述的声子晶体吸振以及传振装置的基体3b和4b由树脂类材料制成，环状薄片式散射体3a和4a由铝或铅材料制成

工作过程如下：

高速行驶的列车通过箱梁桥时，由于轮轨不平顺激励产生的噪声和振动，振动传递至箱梁上引起箱梁自身产生振动，通过布置在外支架1内的缓冲装置2，使得振动激扰在一定程度上得到衰减，实现了一级隔振。再通过“点缺陷”声子晶体吸振装置3，在振动激扰局限在结构的中间位置，然后由“线缺陷”声子晶体传振装置4，使得局限在“点缺陷”声子晶体吸振结构中间位置的振动激扰通过“线缺陷”轨迹传递至下部的第一吸振腔5，当振动传入时，振动会使第一减振腔5产生位移，从而会产生竖向和水平两个方向的分力，水平分力会给弹性筒夹5b施加压力，使得弹性筒夹5b内布置的水平向弹簧产生与其受到的水平压力反方向的弹性力，从而使得弹性筒夹5b产生水平阻尼，起到水平减振的作用，竖向分力会使得弹性筒夹5a产生收缩变形，此时弹性活动夹口会挤压滑动柱5a结构的锥面，使得滑动柱5a结构向下运动，同时由于第一吸振腔5底部结构的约束作用，从而使得滑动柱5a结构产生竖向阻尼，起到竖向减振作用，从而实现了二级减振。最后通过第二吸振腔内6空心球6a内的高阻尼弹性小球6b的振动，将振动能量进行消耗，从而实现了三级减振。

实际使用过程中应考虑到以下几种因素：

(1)两类声子晶体结构的散射体数目。根据整体结构的几何尺寸、所承受的载荷大小可以调整两类声子晶体隔振结构的周期数目。

(2)所述的一种缺陷型声子晶体箱梁吸振器的布置方式。根据箱梁的几何，沿着箱梁的纵向进行周期性布置吸振器结构。

(3)整体结构的尺寸。根据列箱梁的几何尺寸，结构所承受的载荷大小，可以调整整体结构的尺寸。

(4)缓冲装置的个数与尺寸。根据箱梁的几何尺寸，箱梁振动所产生的振动频率区间以及所述吸振器整体结构的几何尺寸，可以调整缓冲装置的个数和尺寸。

(5)弹性筒夹内竖向弹簧组的数目。根据箱梁振动所产生的振动频率区间以及所述吸振器整体结构的几何尺寸，可以调整弹性筒夹内水平弹簧组的数目。

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)

1.一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：包括外支架、声子晶体吸振装置、声子晶体传振装置、第一吸振腔以及第二吸振腔，所述声子晶体吸振装置、声子晶体传振装置采用种基于缺陷型声子晶体结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：外支架通过大刚度弹簧连接在箱梁腹板上，声子晶体吸振装置与第一吸振腔、第二吸振腔通过声子晶体传振装置连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：外支架底座利用自带的T型轴结构与箱梁底板上加工的T型槽连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：声子晶体吸振装置以及声子晶体传振装置上加工有圆孔型凹槽，凹槽内装有环状散射体薄片。

5.根据权利要求3所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：外支架内布置有多个缓冲装置。

6.根据权利要求5所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：第二吸振腔内布置有多个有孔空心球，球内布置有多个高阻尼的弹性小球。

7.根据权利要求6所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：通过在完整声子晶体周期结构中移除中间位置的散射体来引入“点缺陷”，组成声子晶体吸振装置。

8.根据权利要求7所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：通过在完整声子晶体周期结构中移除任意一列散射体来引入“线缺陷”，组成声子晶体传振装置。

9.根据权利要求8所述的一种基于缺陷型声子晶体的箱梁吸振器，其特征在于：所述的声子晶体吸振以及传振装置的基体由树脂类材料制成，环状薄片式散射体由铝或铅材料制成。