阅读说明：本技术 声子晶体隔振器及浮置板轨道隔振设备 (Phonon crystal vibration isolator and floating plate track device for vibration insutation ) 是由 史海欧 王平 罗信伟 赵才友 刘堂辉 盛曦 刘文武 易强 王刘翀 于 2019-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种声子晶体隔振器及浮置板轨道隔振设备,涉及隔振设备领域；该声子晶体隔振器包括：多组隔振元胞；多组隔振元胞沿振源的振动方向排布,且相邻两组隔振元胞弹性连接；隔振元胞包括基体组件和至少两组振子环组件,振子环组件套设于基体组件上,且振子环组件能够相对于基体组件振动,每组振子环组件的固有振动频率均不相同。弹性波与振子环组件反向共振耦合,一组隔振元胞上设置至少两组固有频率不同的振子环组件与基体组件连接,使得该声子晶体隔振器对应出现至少两组的带隙,因此扩大了声子晶体隔振器的吸收弹性波的频率范围,提升了隔振效果。浮置板轨道隔振设备包括上述声子晶体隔振器。(The present invention provides a kind of phonon crystal vibration isolator and floating plate track device for vibration insutation, is related to device for vibration insutation field；The phonon crystal vibration isolator includes: multiple groups vibration isolation cellular；Multiple groups vibration isolation cellular is arranged along the direction of vibration of vibration source, and two adjacent groups vibration isolation cellular elastic connection；Vibration isolation cellular includes matrix component and at least two groups oscillator ring assemblies, and oscillator ring assemblies are sheathed in matrix component, and oscillator ring assemblies can be vibrated relative to matrix component, and the eigentone of every group of oscillator ring assemblies is all different.Elastic wave and the reversed resonance coupling of oscillator ring assemblies, the different oscillator ring assemblies of at least two groups intrinsic frequency are arranged on one group of vibration isolation cellular to connect with matrix component, so that the phonon crystal vibration isolator is corresponding to there is the band gap of at least two groups, therefore the frequency range for expanding the absorption elastic wave of phonon crystal vibration isolator, improves vibration isolating effect.Floating plate track device for vibration insutation includes above-mentioned phonon crystal vibration isolator.)

声子晶体隔振器及浮置板轨道隔振设备

技术领域

本发明涉及隔振设备领域，具体涉及一种声子晶体隔振器及浮置板轨道隔振设备。

背景技术

随着社会发展，轨道运输成为使用最广泛的运输方式之一，而解决轨道交通中振动和噪声对环境的破坏和居民生活的影响，成为人们关注轨道交通建设的焦点，也成为城市轨道交通建设能否可持续发展的关键之一。经过多年的潜心研究，德国在减振隔振方面率先取得突破，他们在浮置板轨道结构研究与应用方面作了大量工作，相继开发了多种浮置板结构形式以及配套隔振支座和施工工艺。浮置板轨道结构的隔振原理为：作用在钢轨上的力传递给浮置于隔振器上的道床板，道床板可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载，只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹性支承传递到基础垫层中去。道床板受力后，在惯性作用下将受到的力经过重新分配后传递给固定在基础垫层上的隔振器，再通过隔振器传递到基础垫层，在此过程中由隔振器进行调谐、滤波、吸收能量，达到隔振减振的目的。

声子晶体是由弹性固体周期排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能结构。弹性波在声子晶体中传播时，受其内部结构的作用，在一定频率范围(带隙)内被阻止传播，而在其他频率范围(通带)可以无损耗地传播。局域共振型声子晶体是声子晶体结构中的一种类型。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，构成了局域共振型声子晶体的基本结构。在局域共振结构中，由于中间很软的包覆层的存在，将较硬的芯球连接在基体上，组成了具有低频的共振单元。当基体中传播的弹性波的频率接近共振单元的共振频率时，共振结构单元将与弹性波发生强烈的耦合作用，使其不能继续向前传播，从而导致了带隙的产生。

现有技术中的存在一种利用局域共振型声子晶体制作的隔振器，将该隔振器置于浮置的道床板下，实现了车辆通过轨道时，该隔振器能够吸收传向道床板的处于带隙内的弹性波的效果。然而现有技术中的声子晶体隔振器中只具有一个带隙，因此只能吸收振动频率在该带隙的频率范围内的弹性波，而由于轨道交通的车辆启停、加速以及减速过程比较复杂，加上环境载荷的影响似的，车辆传向道床板的弹性波的振动频率并不单一，而超出该带隙频率范围的弹性波无法被该隔振器吸收，会直接传向基础垫层，产生剧烈震动以及噪声，导致隔振效果不好。所以声子晶体隔振器单一的带隙往往无法满足实际工况需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种声子晶体隔振器及浮置板轨道隔振设备，以缓解现有技术中存在的隔振器带隙单一，且较窄，部分弹性波无法被有效吸收，导致的隔振效果不好的问题。

本发明提供一种声子晶体隔振器，包括：多组隔振元胞；

多组隔振元胞沿振源的振动方向排布，且相邻两组隔振元胞弹性连接；

隔振元胞包括基体组件和至少两组振子环组件，振子环组件套设于基体组件上，且振子环组件能够相对于基体组件振动，每组振子环组件的固有振动频率均不相同。

当振源振动产生的弹性波的频率在声子晶体隔振器的带隙范围内时，弹性波与振子环组件反向共振耦合，一组隔振元胞上设置至少两组固有频率不同的振子环组件与基体组件连接，使得该声子晶体隔振器对应出现至少两组的带隙，因此扩大了声子晶体隔振器的吸收弹性波的频率范围，提升了隔振效果。

进一步地，振子环组件包括弹性连接环和振子环；

弹性连接环套设于基体组件外侧，振子环套设于弹性连接环外侧。弹性连接环具有振动方向上的弹性，主要为振子环组件提供弹性势能，保证振子环组件能够在惯性下发生振动。振子环主要为振子环组件提供质量，通过对弹性连接环和振子环的调整达到控制振子环组件固有频率改变的效果。

进一步地，基体组件包括基座和弹性块；弹性块与基座沿振源振动方向排布并连接，弹性连接环套设于基座外侧。弹性块与基座在振动方向上进行连接，一方面构成了局域共振型声子晶体的基本结构；另一方面调节整个声子晶体隔振器的整体刚度，以便于直接替换现有技术中的弹簧隔振器。

进一步地，基座具有容纳槽，弹性块设置于容纳槽中。该结构具有减重作用，另一方面保证了弹性块能够连接前一组基座和后一组基座，构成局域共振型声子晶体的基本结构。

进一步地，弹性连接环采用橡胶环。采用橡胶环目的在于，橡胶种类繁多，弹性系数的选择范围较宽，更好地满足调节振子环组件的要求。

进一步地，振子环采用钢环。钢材制造成本较低，且能够提供需要的任意质量，以调整振子环组件的固有频率。

进一步地，橡胶环的内环侧壁布胶，并与基座外侧壁粘接，钢环的内环侧壁布胶，并与橡胶环粘接。通过粘接的方式连接橡胶环与基座，以及钢环与橡胶环。使得钢环、橡胶环以及基座之间贴合的更加紧密，减少因连接间隙对振子环组件造成的影响。

进一步地，多组隔振元胞中，其中一组隔振元胞中的基座的端面与相邻组隔振元胞中的弹性块的端面粘接。粘接结构保证了各组隔振元胞之间贴和紧密，防止因振动带来的隔振元胞之间的脱离。

进一步地，每组隔振元胞中，包括两组振子环组件，两组振子环组件中的弹性连接环的剪切刚度相同，且两组振子环组件的重量不同。弹性连接环的剪切刚度与该振子环组件质量的比值与振子环组件的固有频率的数值成正比，比值不同的两组振子环组件的固有频率也不同。保证声子晶体隔振器具有两个范围不同的带隙，从而扩大其吸收弹性波的频率范围。

根据本发明，提供一种浮置板轨道隔振设备，包括上述的声子晶体隔振器。

与现有技术相比，本发明提供的声子晶体隔振器及浮置板轨道隔振设备所具有的技术优势为：

本发明提供一种声子晶体隔振器，包括：多组隔振元胞；多组隔振元胞沿振源的振动方向排布，且相邻两组隔振元胞中的基体组件弹性连接；隔振元胞包括基体组件和至少两组振子环组件，振子环组件套设于基体组件上，且振子环组件能够相对于基体组件振动，每组振子环组件的固有振动频率均不相同。上述结构中，多组隔振元胞沿振源的振动方向排布，且相邻两组隔振元胞弹性连接，振子环组件套设于集体组件上，构成了局域共振型声子晶体隔振器。振源振动产生弹性波，该声子晶体隔振器的振子环组件能够与在一定频率范围内(带隙)的弹性波反相共振耦合，吸收掉弹性波，从而达到隔振目的。因为局域共振型声子晶体隔振器的作用原理是依靠振子与弹性波共振耦合，而只有达到振子的固有频率才会引发振子共振，所以该声子晶体隔振器能吸收弹性波的频率范围(带隙)随振子环组件的固有频率改变而改变。因此单组隔振元胞的基体组件上设置至少两组固有频率不同的振子环组件，可以使该声子晶体隔振器具有至少两个频率范围有区别的带隙。从而扩大了该声子晶体隔振器能够吸收的弹性波的频率范围，提升隔振效果。

本发明提供的浮置板轨道隔振设备，包括上述声子晶体隔振器，由此，浮置板轨道隔振设备的优势包括声子晶体隔振器的优势，不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的声子晶体隔振器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的声子晶体隔振器的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的声子晶体隔振器的隔振元胞的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的声子晶体隔振器的隔振元胞的***结构示意图；

图5为本发明实施例提供的弹簧－质量块模型的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的质量块－弹簧－质量块模型的结构示意图。

图标：100－隔振元胞；110－基体组件；111－基座；112－弹性块；120－振子环组件；121－弹性连接环；122－振子环；200－第一质量块；300－第二质量块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

具体结构如图1－图6所示。

本实施例提供的一种声子晶体隔振器，根据图1－图6所示，包括：多组隔振元胞100；

多组隔振元胞100沿振源的振动方向排布，且相邻两组隔振元胞100弹性连接；

隔振元胞100包括基体组件110和至少两组振子环组件120，振子环组件120套设于基体组件110上，且振子环组件120能够相对于基体组件110振动，每组振子环组件120的固有振动频率均不相同。

上述结构中，多组隔振元胞100沿振源的振动方向排布，且相邻两组隔振元胞100弹性连接，振子环组件120套设于集体组件上，构成了局域共振型声子晶体隔振器。振源振动产生弹性波，该声子晶体隔振器的振子环组件120能够与在一定频率范围内(带隙)的弹性波反相共振耦合，吸收掉弹性波，从而达到隔振目的。因为局域共振型声子晶体隔振器的作用原理是依靠振子与弹性波共振耦合，而只有达到振子的固有频率才会引发振子共振，所以该声子晶体隔振器能吸收弹性波的频率范围(带隙)随振子环组件120的固有频率改变而改变。因此单组隔振元胞100的基体组件110上设置至少两组固有频率不同的振子环组件120，可以使该声子晶体隔振器具有至少两个频率范围有区别的带隙。从而扩大了该声子晶体隔振器能够吸收的弹性波的频率范围，提升隔振效果。

需要说明的是，局域共振型声子晶体的吸收带隙范围内的弹性波的原理、效果以及局域共振型声子晶体的具体结构可参考现有技术。

另外，为更形象的说明该声子晶体隔振器的隔振原理，将单组隔振元胞100简化为线弹簧－质量块模型。如图5所示，根据局域共振型声子晶体的原理，在弹性波的作用下，当振子环组件120在固有频率下与弹性波发生反相位共振，且基体组件110几乎不发生振动时，整个结构在此种振动模式下实现动态平衡，带隙的起始频率为此时振子环组件120的振动频率。其中，振子环组件120的质量相当于第一质量块200的质量(m_x)，振子环组件120的切向刚度相当于弹簧的弹性系数(k)，振子环组件120的共振频率即带隙的起始频率，相当于弹簧－质量块模型的自由简谐运动频率(f₁)，根据弹簧－质量块模型中第一质量块200的自由简谐运动频率公式可知，振子环组件120的切向刚度(k)与振子环组件120的质量(m_x)的比值与声子晶体隔振器带隙的起始频率成正比，由局域共振型声子晶体的原理可知，该声子晶体隔振器带隙的起始频率与振子环组件120的固有频率数值相等，因此只要保证振子环组件120的固有频率不同即可获得不同的声子晶体隔振器带隙的起始频率。

如图6所示，构建质量块－弹簧－质量块的模型，根据局域共振型声子晶体的原理，振子环组件120套设于基体组件110上，在弹性波的作用下，当基体组件110振动，且振子环组件120与基体组件110之间出现反相位共振时，此时的振动频率为声子晶体隔振器带隙的截止频率。振子环组件120的质量相当于第一质量块200质量块的质量(m_x)，基体组件110的质量相当于第二质量块300的质量(m)，振子环组件120的切向刚度相当于弹簧的弹性系数(k)，振子环组件120与基体组件110之间反相位共振频率相当于两个质量块自由的反向共振的共振频率(f₂)，根据质量块－弹簧－质量块的模型，两个质量块自由的反向共振的共振频率公式可知，改变振子环组件120的固有频率，振子环组件120的质量(m_x)和/或振子环组件120的切向刚度(k)即可改变，而振子环组件120与基体组件110之间反相位共振频率也会随其改变，从而声子晶体隔振器带隙的截止频率也会变化。

综上所述，改变振子环组件120的固有频率，会引发声子晶体隔振器带隙的起始频率以及截止频率变化变化，从而引发带隙范围的改变。

本实施例的可选技术方案中，振子环组件120包括弹性连接环121和振子环122；

弹性连接环121套设于基体组件110外侧，振子环122套设于弹性连接环121外侧。弹性连接环121具有振动方向上的弹性，主要为振子环组件120提供弹性势能，保证在弹性波传递到基体组件110时，振子环组件120的利用弹性连接环121的弹性能够在惯性下发生振动。振子环122主要为振子环组件120提供质量，通过对弹性连接环121和振子环122的调整达到控制振子环组件120固有频率改变的效果。

本实施例的可选技术方案中，基体组件110包括基座111和弹性块112；弹性块112与基座111沿振源振动方向排布并连接，弹性连接环121套设于基座111外侧。一方面构成了局域共振型声子晶体的基本结构；另一方面，基座111和弹性块112配合连接，为道床板提供垂向刚度及一定的横向刚度，支撑道床板，防止其塌陷。同时，利用弹性块112具有一定的弹性压缩量的特性，在实际使用过程中可直接用本实施例提供的声子晶体隔振器替换现有的弹簧隔振器，模拟弹簧隔振器的压缩量进行直接替换，从而无需对轨道作出整改，使替换过程更加方便。

优选的，上述基座111选用铝合金材料，弹性块112橡胶块；铝合金保证了基座111具有良好的结构强度，而且铝合金属于轻金属，对该声子晶体隔振器具有良好的减重效果，且铝合金为常见金属合金材料，加工方便，价格低廉。橡胶块能够提供弹性块112所需要的弹性，且加工方便，价格低廉。

本实施例的可选技术方案中，基座111具有容纳槽，弹性块112设置于容纳槽中。该容纳槽结构具有减重作用，减少基座111的重量；另一方面使得弹性块112处于基座111的围护下，防止其因为振动挤压而产生横向变形。优选地，基座111底部具有凸起结构，前一组隔振元胞100的基座111的凸起结构能够与后一组隔振元胞100的基座111容纳槽内的弹性块112抵接，保证了弹性块112能够连接前一组基座111和后一组基座111，构成局域共振型声子晶体的基本结构。

优选地，基座111采用圆柱状结构，顶部开设容纳槽，圆柱状结构便于加工，同时方便振子环组件120套接。圆柱状结构质量分布均匀，在进行隔振工作时，与振子环组件120配合，传递振动更加均匀，使得声子晶体隔振器更加稳定。

本实施例的可选技术方案中，弹性连接环121采用橡胶环。采用橡胶环目的在于，橡胶种类繁多，弹性系数的选择范围较宽，更好地满足调节振子环组件120的要求。且橡胶材料较为常见，加工方便。

本实施例的可选技术方案中，振子环122采用钢环。钢环能够满足振子环122所需的质量要求，钢材制造成本较低，且能够提供需要的任意质量，便于调整振子环组件120的固有频率。

本实施例的可选技术方案中，橡胶环的内环侧壁布胶，并与基座111外侧壁粘接，钢环的内环侧壁布胶，并与橡胶环粘接。通过粘接的方式连接橡胶环与基座111，以及钢环与橡胶环。使得钢环、橡胶环以及基座111之间贴合的更加紧密，减少因连接间隙对振子组件振动造成的影响。

本实施例的可选技术方案中，多组隔振元胞100中，其中一组隔振元胞100中的基座111的端面与相邻组隔振元胞100中的弹性块112的端面粘接。粘接结构保证了各组隔振元胞100之间贴和紧密，防止因振动带来的隔振元胞100之间的脱离。

本实施例的可选技术方案中，每组隔振元胞100中，包括两组振子环组件120，两组振子环组件120中的弹性连接环121的剪切刚度相同，且该两组振子环组件120的重量不同。振子环组件120的剪切刚度主要由弹性连接环121的剪切刚度反映。根据带隙的起始频率可知，每组隔振元胞100中，各组振子环组件120的剪切刚度(k)即弹性连接环121的剪切刚度，与振子环组件120质量(m_x)的比值不同，则各组振子环组件120的所能够共振耦合的起始频率不同。根据带隙的截止频率可知，单个隔振元胞100中，各组振子环组件120的剪切刚度(k)即弹性连接环121的剪切刚度不同，或振子环组件120质量(m_x)不同，则各组振子环组件120的所能够共振耦合的截止频率不同。具体地，在同一隔振元胞100中，定义两组振子环组件120分别为第一振子环组件和第二振子环组件，且第一振子环组件包括第一弹性连接环和第一振子环；第二振子环组件包括第二弹性连接环和第二振子环；其中，第一弹性连接环的剪切刚度为k₁，第二弹性连接环的剪切刚度为k₂，第一振子环的质量为m₁，第二振子环的质量为m₂。优选方案为，基体组件110的质量恒定为m，大于且k₁与k₂相等，m₁小于m₂，带入f₁与f₂中可知，第一振子环组件的起始频率与截止频率均大于第二振子环组件，因此，第一振子环组件与第二振子环组件的带隙相叠加增加了带隙宽度，从而使得声子晶体隔振器的带隙宽度增加，提高隔振效果。该优选方案中，第一弹性连接环与第二弹性连接环的剪切刚度相等，因此可采用同一弹性连接环，仅通过使得第一振子环与第二振子环的质量不同即可达到目的，简单方便，且无需考虑弹性连接环121材质改变而引起的质量等参数的变化。

另外，还可采用以下方案，基体组件110的质量恒定为m，大于且k₁、m₁分别大于k₂、m₂，带入f₁与f₂中可知，第一振子环组件的起始频率与截止频率均大于第二振子环组件，因此，第一振子环组件与第二振子环组件的带隙相叠加增加了带隙宽度，从而使得声子晶体隔振器的带隙宽度增加，提高隔振效果。

本实施例还提供一种浮置板轨道隔振设备，包括上述的声子晶体隔振器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。