[发明专利]一种低频隔振复合夹层结构

说明书

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，具体涉及一种低频隔振复合夹层结构。

背景技术

动物理量时而增大时而减小的反复变化即为振动。振动在自然界广泛存在。振动具有可以利用的一面，如可采用振动筛选、振动运输以及振动理论进行测量传感器等的设计。但是，振动对于大多数的工程结构以及生物体都是有害的，它常常能造成机械结构的恶性破坏和失效。超标的振动会缩短机械寿命，降低机械及电子产品的使用性能，甚至成为现代工业的污染源之一。

在实际生活环境中，振动源大多分布在中低频范围（0-1KHz）。其中，低频振动由于能量衰减缓慢，穿透力强，传播距离远而难以实施阻碍和控制，对工业生产，建筑结构以及人体都产生了极大的危害。随着科技的发展，大型结构（如航天产品、桥梁建筑、地铁高铁以及舰船类等）的尺寸增大，其刚度减弱，固有频率也相应地降低，低频振动容易造成其结构和大中型设备故障。因此，低频振动的控制问题成为了工程中常见并且亟待解决的问题之一。虽然人类能对1Hz到100KHz的振动进行感知，但是只有低频区间内的振动对人类的影响最大。据研究，低频振动能诱发人类的肢体和器官的共振，因此许多严重的疾病都与低频振动的影响息息相关，对人类的生理和心理健康造成了较大的伤害。早在1994年，李盈忠等人就提出，低频振动能够导致人体器官失衡，影响人的视力、操作能力、平衡稳定性以及主观感觉。随着振幅的增加，人体不适明显增强，还将导致心血管系统、神经系统以及运动系统的失调与障碍。

振动控制的技术主要包含两大类，即减振技术和隔振技术。隔振就是在振源和需要防振的结构之间防止一定数量具有弹性和阻尼性能的隔振装置，将振源与基础之间或者是基础与需要防振的结构之间的刚性连接转化为柔性连接，以阻隔或减弱振动能量的传递。传统的振动控制技术如普通的橡胶隔振器等具有一定的局限性，尤其是在低频振动的控制方面，难以做到用小尺寸结构阻碍大波长的振动。这一些隔振器的静态刚度与材料本身参数相关，并且也与隔振器的形状、约束或自由面积以及高度等设计参数有关。随着参数设计的变化，静态刚度也往往随之大范围变化，直接影响到隔振器的效果。因此，对于墙面、地面振动的控制，在低于1000Hz的范围内难以用薄层大面积隔振。所以，设计一种在低频范围内能够有效隔除振动的薄层结构成为了一个焦点和难点。

近年来，声子晶体这一种弹性散射体周期排列的复合功能材料因为其良好的带隙特性引起了广泛的关注。美国海军研究试验所、欧洲信息社会技术研究委员会、中国自然科学基金等都对声子晶体的研究与应用进行了大力支持。声子晶体能够与波传播行为（如散射、干涉）相互作用，同时利用结构的周期性和局域共振等特性，在一定的频段范围内形成禁带，阻碍这一范围内的波在结构的各个方向的传播，可以起到滤波的作用，从而可以用其进行隔声或隔振。根据带隙形成的原因，可将声子晶体分为两类：Bragg散射型和局域共振型。这两种带隙的形成均是结构周期性和单散射体的Mie散射共同作用的结果，其中，Bragg散射型声子晶体中，各元胞之间的相互作用起着主要作用，而在局域共振型声子晶体中，单个散射体的共振起到了主导作用。Bragg散射型声子晶体第一带隙中心频率对应的弹性波波长为晶格常数的2倍，所以，如果用这一类声子晶体进行低频的波传播控制，结构将会变得十分巨大，这是不符合实际的。这样，局域共振型声子晶体在低频上的作用引起了人们的重视。

在2000年的Science期刊上，刘正猷等人首次提出了局域共振型声子晶体的概念。文中提出用硅橡胶包裹铅球按照简单立方晶格排列在环氧树脂基体中，理论和实验都证实这一晶格常数为2cm的结构具有400Hz左右的低频带隙，比相同尺寸的Bragg散射型声子晶体的第一带隙频率降低了两个数量级。这一发现实现了“小尺寸控制大波长”，这样一类声子晶体的带隙只有单个散射体的局域共振特性决定，而与他们的排列方式无关。但是这一装置具有明显的缺点：因为铅球密度很大导致结构很重而难以运用到实际结构中，而用硅橡胶包裹铅球再植入基体中导致制作工艺复杂难以成型。

传统的局域共振结构一般只能在1000Hz以上区域产生较窄的带隙。杆状、梁状、层状、板状、膜状等结构形式的声子晶体被设计用于获得更低更宽频段的带隙。其中，Pennec,Oudich和Hsu等人都证明了在薄板上附加周期排列的圆柱体形式的声子晶体在0到10³Hz这一数量级频率范围内得到了较为低频共振带隙。但是，绝大多数现有的声子晶体结构仍然不能有效阻隔100Hz以下的低频振动。并且，传统的声子晶体板状结构由于其周期性仅分布在板平面内，对于垂直于板的振动作用不大，难以投入实际应用中。