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。

结合图1-图5说明本实施方式的本实施方式的一种可调准周期阻尼钢轨，其中包括钢轨本体1、层状声子晶体结构体2、一维声子晶体减振层3、横向振动传递杆4、带孔螺栓杆5、紧固螺帽6、竖向振动传递杆7、颗粒阻尼器8、曲柄连杆腔体9、矩形截面腔体10。

根据阻尼动力吸振和隔振原理,本发明中的层状声子晶体结构体和一维声子晶体减振层可增加钢轨的垂向静刚度和阻尼,提高了轮轨振动顺轨向的衰减率，同时阻隔了轮轨辐射的一次噪声。

将层状声子晶体结构体2、一维声子晶体减振层3结构进行配合，可形成频段更宽的带隙，与颗粒阻尼器减振频带不足的区间范围互为补充，从而抑制0-2000Hz频率范围内振动的传播，实现低中频减振效果

其中，所述钢轨本体1具有轨腰、位于所述轨腰上端的顶轨以及位于所述轨腰下端的轨座。

在一个方案中，所述层状声子晶体结构体2贴设于钢轨本体1轨腰位置。所述状声子晶体结构体2为材料A和材料B周期性排布而成的一个新型结构层。具体地，可以根据钢轨轨腰的形状对结构层进行切削，保证层状声子晶体结构体2紧密贴合在钢轨本体1的轨腰两侧，并用高强度胶粘剂粘结在一起。

在一个方案中，一维声子晶体减振层3的基体是材料C、材料D两种材料沿着厚度方向周期性排列形成的矩形结构体，矩形结构体一端与层状声子晶体结构体2贴靠，另一端与横向振动传递杆4固定连接。优选地，所述一维声子晶体减振层3的另一端有螺纹孔，与横向振动传递杆4的圆柱螺纹旋转连接。

在一个方案中，竖向振动传递杆7通过带孔螺栓杆5与所述的横向振动传递杆4连接。其中，所述带孔螺栓杆5一端通过螺纹结构与所述横向振动传递杆4同轴连接。所述竖向振动传递杆7穿过带孔螺栓杆5的螺纹孔，并通过紧固件固定，例如，将六边形紧固螺帽6旋转至竖向振动传递杆7的圆柱螺纹，对整体进行固定。

在一个方案中，所述曲柄连杆腔体9上端部的螺纹孔与竖向振动传递杆7的圆柱螺纹旋转连接，下端部的圆柱螺纹与矩形截面腔体10两侧的螺纹孔旋转连接。

在一个方案中，所述颗粒阻尼器8为球状结构，均匀分布在曲柄连杆腔体9和矩形截面腔体10的腔室单元内，其中曲柄连杆腔体9的上端部加工有螺纹孔、下端部加工有圆柱螺纹，矩形截面腔体10的两侧中心位置有与曲柄连杆腔体9上加工的螺纹相匹配的螺纹孔。

在一个方案中，所述钢轨整体是一个左右对称的稳固结构，即在钢轨本体1两侧均设置有层状声子晶体结构体2、一维声子晶体减振层3、横向振动传递杆4、带孔螺栓杆5、紧固螺帽6、竖向振动传递杆7、颗粒阻尼器8、曲柄连杆腔体9，并且两侧的曲柄连杆腔体9与一个矩形截面腔体10连接，并且钢轨本体1两侧的组件的安装、连接方式和顺序连接均保持一致。

在一个方案中，优选地，引入弹性动力学公式并采用传递矩阵法推导层状声子晶体结构体的色散关系，通过计算可得各参数满足以下关系：

其中，材料A的厚度为a₁，材料B的厚度为b₁，两种材料的组合厚度(晶格常数)c＝a₁+b₁，且a₁＝b₁，k为波矢，h为材料的截面高度，α₁、α₂为材料A、B的材料参数，F为离散节点的力矢量。

将晶格常数c、材料A、B的参数等带入该公式，求解波矢k与特征频率之间的能带结构，调整晶格常数c来控制带隙频率范围。例如，取晶格常数c＝0.20m,在0～35KHz的频率范围内，产生了4KHz～13.7KHz和18.30KHz～24.2KHz两条带隙；取晶格常数c＝0.04m，可在0～180KHz的频率范围内，产生了53.8KHz～86.4KHz和91.2KHz～112.3KHz两条带隙。根据实际减振需求，可通过调整晶格常数c的大小实现不同频段的减振效果。

在一个方案中，更优选地，一维声子晶体减振层3的基体为声子晶体结构层，其中声子晶体结构层中材料C的厚度呈现出周期性变化，材料D厚度不变，材料C厚度的周期性变化为在一初始厚度d_c上加一正弦波变化的变量厚度。引入周期函数d_c(x)＝d_c+d_c×(α²sin 2πβ/n)来调节材料C的厚度,其中x表示为第x个(C+D)元胞单元用于计算第x个元胞单元的厚度d_c(x)，α为传输系数用于调节带隙的宽度，变量β为介质弹性常数是材料自身特性与晶格常数无关，n为元胞数用于控制声子晶体结构层元胞单元的数量。如此设置，可通过该周期函数精确的计算出每个元胞单元中材料C的厚度取值范围，在满足结构周期性和减振频率范围要求的基础上，最大限度的节约材料C、D的用量。

在一个方案中，曲柄连杆腔体9的杆端部加工有螺纹并与矩形截面腔体10上加工的螺纹孔相匹配。如此设置，可使构件之间稳固连接。

在一个方案中，所述的曲柄连杆腔体9和一维声子晶体减振层5分别加工有与竖向振动传递杆7、横向振动传递杆4的螺纹相匹配的螺纹孔，通过横向和垂向的杆件连接，即可保证振动的传递性也可充分保证结构整体的稳定性且便于安装拆卸与养护维修。

在一个方案中，层状声子晶体结构体2的材料A和材料B为聚氨酯类橡胶、烟片天然橡胶或乙丙橡胶。一维声子晶体减振层3的材料C和材料D为树脂类材料、硅橡胶或氯丁橡胶。层状声子晶体结构体2和一维声子晶体减振层3的材料选用原则需根据材料强度、疲劳性能、气候环境和区域位置来确定。对耐磨性、缓冲减振性要求高可以选用聚氨酯类橡胶；耐温性能要求高可以选择烟片天然橡胶、硅橡胶；对耐腐蚀性要求高可以选用乙丙橡胶、氯丁橡胶。

在一个方案中，横向振动传递杆4、带孔螺栓杆5、竖向振动传递杆7以及曲柄连杆腔体9均由合金材料制成，紧固螺帽由钢材料制成。

在一个方案中，矩形截面腔体10选用塑形比较好的低碳钢制成。优选地，预先在曲柄连杆腔体9和矩形截面腔体10的腔室内均布放置颗粒阻尼器8，所述曲柄连杆腔体和矩形截面腔体的腔室内颗粒阻尼器的填充率为45％～75％。颗粒阻尼器材料选用不锈钢、碳素钢、黄铜、白铜或铅中的一种，表面喷涂一层耐磨涂料。

在一个方案中，矩形截面腔体10左右两侧中心位置加工有螺纹孔与曲柄连杆腔体9杆端部的圆柱螺纹固定连接

在一个方案中，所采用的颗粒阻尼器8呈球体状，直径1mm～4mm,实心不锈钢球体。球体表面喷涂一层0.2mm的耐磨聚氨酯涂料，当列车车轮在钢轨上高速行进时，钢轨产生的剧烈振动可使颗粒阻尼器脱离容器底部与相邻颗粒阻尼器和腔室壁发生相对碰撞和摩擦，大幅耗散振动能量。

在一个方案中，对矩形截面腔体颗粒阻尼容器的耗能及减振性能进行分析，根据受力平衡可列方程式：

σ_zlw+ρ_alwδzg＝(σ_z+δσ_z)lw+2τ_z(l+w)δ_z

其中σ_z为颗粒阻尼器微元体受到的主要应力，l为矩形截面的长，w为矩形截面的宽，ρ_a为颗粒阻尼器微元体的密度，δz为颗粒阻尼器微元体的高度，g为重力加速度，δ为应力变化量，τ_z为壁面对微元体的摩擦应力。

令m为矩形截面的长宽比l/w,假设矩形截面内的颗粒阻尼器的数量Q，颗粒阻尼器层表面的颗粒数量为q,此时颗粒阻尼器微元体所受的静应力近似表达为：

其中θ_a为阻尼颗粒与矩形截面腔体容器壁的摩擦角，k_l为应力常数，ε为腔体内的颗粒阻尼器的填充率，r为颗粒阻尼器的半径。根据微元体的静应力近似表达可知，矩形截面的长宽比m越大，颗粒阻尼器微元体所受到的静应力σ_z越小，即颗粒阻尼器在振动强度较低时也能达到自由运动行为，更多的颗粒阻尼器参与到轮轨的耗能运动，消耗低中频域内的振动能量，因此减振效果也越好。

在一个方案中，城市轨道交通和高速铁路使用的钢轨以60钢轨为主，60钢轨的详细尺寸如下：钢轨高度176mm、轨底宽度150mm、轨头高度48.5mm、轨头宽度73mm、轨腰厚度16.5mm。优选的，考虑实际应用安装条件及长宽比m＝l/w约为2倍关系时较为合适且实验效果最优，因此曲柄连杆腔体9的腔室尺寸设计为：横向长度为160mm～140mm,纵向宽度为60mm～80mm,竖向高度为100mm～120mm，连杆的半径为10mm；矩形截面腔体10的腔室尺寸横向长度为90mm～100mm，40mm～50mm,纵向宽度为40mm～50mm，竖向高度为30mm～40mm。

在一个方案中，优选的，为了更好的控制低中频域内的振动，进一步优化曲柄连杆腔体9和矩形截面腔体10的腔室内颗粒阻尼器8的颗粒直径配合比，充分结合不同直径配合比的减振频带范围，进一步达到0～2000Hz频带减振效果。利用控制变量法进行实验，效果表明当颗粒直径为3mm时，在150Hz～300Hz、450Hz～2000Hz，减振效果最好；当颗粒直径为2～3mm的混合配比颗粒时，小颗粒直径与大颗粒直径互补，进一步提高颗粒接触概率，在100Hz以内、450Hz以后减振效果最好。曲柄连杆腔体9通过振动传递杆与钢轨相连，以中高频振动为主，因此曲柄连杆腔体9的腔室内均布直径为3mm的颗粒阻尼器8；矩形截面腔体10贴合在轨道结构上表面，以低中频振动为主，因此矩形截面腔体10的腔室内均布2～3mm的混合配比颗粒阻尼器。

下面结合附图说明本发明的一种基于声子晶体和颗粒阻尼器的可调准周期阻尼钢轨的安装过程：

(1)层状声子晶体结构体2的弧线线型与钢轨轨腰的线型相匹配，用高强度粘合剂将曲型周期声子晶体结构层2粘结固定在钢轨本体1轨腰的两侧。

(2)一维声子晶体减振层3通过高强度粘合剂固定粘结在层状声子晶体结构体2的两侧；同时一维声子晶体减振层3的外表面中心位置加工有凹形螺纹孔，与加工有凸型螺纹的横向振动传递杆4通过旋转进行固定连接。

(3)带孔螺栓杆5一侧加工有螺孔，另一侧为凸型螺纹，其中凸型螺纹端与振动传递连接杆4的螺纹孔端通过旋转固定连接。

(4)曲柄连杆腔体9和矩形截面腔体10内部预先放置有颗粒阻尼器8，颗粒阻尼器8的数量为容积的一半。同时矩形截面腔体10两端加工有螺纹孔与曲柄连杆腔体9杆端加工的螺纹通过旋转固定连接。

(5)竖向振动传递杆7的杆两端均加工有凸型螺纹，底部螺纹与曲柄连杆腔体9的腔体螺纹孔通过旋转固定连接，顶部螺纹旋转至带孔螺栓杆5的螺孔内通过紧固螺帽6固定连接。整个结构左右对称，两侧构件的安装、连接方式均一致。完成整体结构的安装应用。

进一步地，为了保障层状声子晶体结构体2和一维声子晶体减振层3与钢轨本体紧密粘接在一起，安装完本发明装置后可以通过旋转横向振动传递杆4来调节施加给矩形周期性声子晶体结构体3的外力大小，保证结构的稳定性。

下面说明本发明的一种基于声子晶体和颗粒阻尼器的可调准周期阻尼钢轨的工作机理：当列车在高速运行时，车轮与钢轨本体1接触会引起剧烈振动并带来一次辐射噪声，当振动由钢轨本体向下部轨道结构及四周传递时，由于层状声子晶体结构体2和一维声子晶体减振层3中存在低中频域带隙，使得相应频率的弹性波不能传播，振动得到衰减；再由横向振动连接杆4和竖向振动传递杆7将振动传递至曲柄连杆腔体9和矩形截面腔体10，振动会引起颗粒阻尼器8进入活跃跳动状态，使得相邻颗粒之间发生碰撞和摩擦，耗散振动能量，进一步降低低中频域内的弹性波的传递。通过将声子晶体和颗粒阻尼器引入到轨道交通振源减振降噪领域，实现轨道结构中弹性波控制，从而达到隔振降噪的效果。

本发明在使用过程中应根据实际情况考虑以下几种因素：

(1)层状声子晶体结构体的铺设长度。本发明适用于不同形式的轨道结构，根据线路减振距离的要求，在钢轨本体的轨腰上安装对应长度的层状声子晶体结构体。

(2)一维声子晶体减振层、曲柄连杆腔体和矩形截面腔体的数量。在需求的线路减振长度范围内，可根据轨道结构的形式和尺寸大小，等间隔安装一维声子晶体减振层、曲柄连杆腔体和矩形截面腔体，从而实现连续减振的效果。

(3)层状声子晶体结构体和一维声子晶体减振层的周期数及材料层厚度。根据工程需求的减振频段范围可以调整两类声子晶体结构的周期数以及ABCD材料层的厚度。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。