一种局域共振型的超材料雨刮片

技术领域

本发明属于汽车减振降噪技术领域，尤其涉及一种局域共振型的超材料雨刮片。

背景技术

汽车雨刮、风窗系统作为汽车重要的安全部件，其刮刷能力通常是评价其性能优劣的主要指标。而随着电动汽车的发展，汽车传动动力系统的噪声得到了广泛的研究和较好的抑制，雨刮、风窗系统的噪声开始进入人们的研究视野。雨刮摩擦噪声主要包括尖叫噪声(500-1000Hz)、颤振噪声(约100Hz以下)和反转噪声(约500Hz)，分别与雨刮系统的高频、低频振动和反转冲击振动相关。雨刮器的振动与噪声不断威胁汽车的行驶安全性，削弱乘车舒适性。因此，雨刮系统的减振降噪技术是目前汽车NVH领域的研究热点。

根据局域共振机理，在特定频率的弹性波激励下，单个散射体发生共振，并与弹性波行波相互作用，从而抑制其传播。该机理强调单个散射体的共振特性与基体中长波行波的相互作用。基于该机理，局域共振型超材料被广泛运用在航天航空、机械动力、交通运输等多个领域中，抑制系统中有害的振动。通过在多个领域的理论和实践的大量研究，大量的减振降噪控制方法被提出，但小尺寸、低频减振降噪仍是难以解决的问题。

因此，需要设计一种局域共振型声学超材料结构的雨刮片，用于解决雨刮片实际运动中的产生的振动和颤振问题，从而为雨刮系统减振降噪研究提供新的思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种局域共振型的超材料雨刮片，以解决上述问题，达到结合了超材料设计理念，能够抑制雨刮片在实际运动过程中产生的振动，降低刮刷过程中产生的噪声，提高清洁效果的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种局域共振型的超材料雨刮片，包括：雨刮片本体，所述雨刮片本体中央沿长度方向开设有第一空腔，所述第一空腔内侧沿长度方向等间距固定连接有若干个降振结构；

所述降振结构包括若干个周向等间距排列的连接臂结构，所述连接臂结构一端与所述第一空腔内侧固定连接，所述连接臂结构另一端固定连接有同一共振结构，所述共振结构中心固定连接有局域共振振子。

优选的，所述连接臂结构包括悬臂梁，所述悬臂梁一端与所述第一空腔内侧固定连接，所述悬臂梁另一端与所述共振结构固定连接，所述悬臂梁内侧开设有若干个呈阵列排列的第二空腔。

优选的，所述共振结构包括共振筒，所述共振筒与所述悬臂梁一端固定连接，所述共振筒内侧开设有第三空腔，所述第三空腔内侧沿周向等间距固定连接有若干个倾斜韧带的一端，若干个所述倾斜韧带的另一端固定连接有同一内部套筒，所述局域共振振子与所述内部套筒内侧固定连接。

优选的，所述连接臂结构的数量为四个，所述倾斜韧带的数量为四个，所述共振筒的截面形状为正方形。

优选的，所述连接臂结构的数量为四个，所述倾斜韧带的数量为六个，所述共振筒的截面形状为正方形。

优选的，所述连接臂结构的数量为六个，所述倾斜韧带的数量为四个，所述共振筒的截面形状为圆形。

优选的，所述雨刮片本体顶端两侧设有卡槽，所述卡槽与雨刮片固定结构固定连接。

优选的，所述雨刮片本体底端设有刮片，所述刮片与待刮雨物品表面接触连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

通过设置间隔排列的连接臂结构、共振结构，并将局域共振振子埋入共振结构内部，实现了一种具有减振效果的雨刮片结构，与传统的无骨/有骨雨刮片结构相比，本发明的结构将局域共振振子埋设于雨刮片本体内部，具有低频带隙的效果，可以对刮雨时产生的振动进行有效地衰减，从而实现有效地减振。

利用这些结构，本发明实现了一种结合了超材料设计理念，能够抑制雨刮片在实际运动过程中产生的振动，降低刮刷过程中产生的噪声，提高清洁效果的局域共振型的超材料雨刮片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为实施例一的结构正视图；

图2为图1中A-A的截面图；

图3为实施例二的结构正视图；

图4为实施例三的结构正视图；

图5为实施例一的局域共振单元的色散关系的能带图；

图6为实施例一的局域共振单元的色散关系的传递损失图。

附图标记：1、雨刮片本体；2、局域共振振子；3、连接臂结构；4、共振结构；101、第一空腔；301、悬臂梁；302、第二空腔；401、共振筒；402、第三空腔；403、倾斜韧带；405、内部套筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1、2、5、6所示，本实施例提供：一种局域共振型的超材料雨刮片，包括：雨刮片本体1，雨刮片本体1中央沿长度方向开设有第一空腔101，第一空腔101内侧沿长度方向等间距固定连接有若干个降振结构；

降振结构包括若干个周向等间距排列的连接臂结构3，连接臂结构3一端与第一空腔101内侧固定连接，连接臂结构3另一端固定连接有同一共振结构4，共振结构4中心固定连接有局域共振振子2。

进一步优化方案，连接臂结构3包括悬臂梁301，悬臂梁301一端与第一空腔101内侧固定连接，悬臂梁301另一端与共振结构4固定连接，悬臂梁301内侧开设有若干个呈阵列排列的第二空腔302。

进一步优化方案，共振结构4包括共振筒401，共振筒401与悬臂梁301一端固定连接，共振筒401内侧开设有第三空腔402，第三空腔402内侧沿周向等间距固定连接有若干个倾斜韧带403的一端，若干个倾斜韧带403的另一端固定连接有同一内部套筒405，局域共振振子2与内部套筒405内侧固定连接。

进一步优化方案，连接臂结构3的数量为四个，倾斜韧带403的数量为四个，共振筒401的截面形状为正方形。

其中，局域共振振子2的材料优选为铅，形状优选为圆柱形，局域共振振子2的截面直径优选为1.3mm。

共振筒401的外侧边长优选为2.5mm，共振筒401的壁厚优选为0.15mm。

倾斜韧带403的厚度优选为0.075mm。

内部套筒405的内径优选为1.3mm，内部套筒405的壁厚优选为0.1mm；

一个连接臂结构3上的第二空腔302的数量优选为八个，第二空腔302的截面优选为正方形，第二空腔302的边长优选为0.12mm，相邻的第二空腔302之间间隔优选为0.18mm。

第一空腔101优选为正十字形与正方形同形心并集的区域，其中正十字的长优选为4.8mm，宽优选为2.2mm，正方形的边长优选为2.8mm。

进一步优化方案，雨刮片本体1顶端两侧设有卡槽，卡槽与雨刮片固定结构固定连接。

进一步优化方案，雨刮片本体1底端设有刮片，刮片与待刮雨物品表面接触连接。

通过设置间隔排列的连接臂结构3、共振结构4，并将局域共振振子2埋入共振结构4内部，实现了一种具有减振效果的雨刮片结构，与传统的无骨/有骨雨刮片结构相比，本发明的结构将局域共振振子2埋设于雨刮片本体1内部，具有低频带隙的效果，可以对刮雨时产生的振动进行有效地衰减，从而实现有效地减振。

参照图5、6中所示，图5、6中的阴影部分为完全带隙，完全带隙的频率范围为600-1300Hz，从图5的能带分布能够很明显地看出，在这个完全带隙内，可以实现完全降噪，从图6中的传递损失情况中可以看出，在完全带隙内能量衰减更加明显。

具体来说：

计算传递损失的计算为：

TL＝10log(E

其中，TL为传声损失(与图6中的数值变化相对应)，式中E

在600-1300Hz的完全带隙范围内平均传递损失大于-40dB，也就证明了本实施例的结构对于该频段内的雨刮噪声具有明显的衰减效果。本发明结构通过基于超材料设计理念，使得完全带隙的范围能够覆盖雨刮摩擦噪声频率段，相较于传统雨刮片结构，对振动噪声的抑制效果更好。

本发明中，当雨刮片本体1下端的刮片发生振动时，雨刮片本体1内部的降振结构也发生振动，局域共振振子2的振动带动倾斜韧带403的变形，在第三空腔402内发生共振，收集振动能量，从而达到减振的效果。连接臂结构3中的悬臂梁301配合第二空腔302，可以有效地减小雨刮片本体1刮刷时产生的形变过大从而导致的颤振，并且支撑着整个共振结构4。局域共振振子2能够有效减小雨刮片本体1在反转过程中受到的冲击振动，降低反转噪声。

本方案中的结构的低频带隙特性随着连接臂结构3的数量的增加而增强，随着第二空腔302的数量的增加而增强，随着倾斜韧带403的数量的减少而增强。共振筒401的形状选择可以选择圆柱形、方形。其中，倾斜韧带403的数量最少为四个。

增加连接臂结构3的数量，有助于增加结构低频带隙特性，增加第二空腔302的数量，有助于增加结构低频带隙特性，减少倾斜韧带403的数量，可以降低结构低频带隙特性。

在实际生产时，两者数量的确定用于统一结构的低频带隙特性，保证能够符合雨刮片工作过程中产生的振动频率范围。

实施例二：

参照图3所示，本实施例与实施例一的区别在于，连接臂结构3的数量为四个，倾斜韧带403的数量为六个，共振筒401的截面形状为正方形。局域共振振子2的材料为铜，形状为圆柱形。

第二空腔302的数量优选为六个，第二空腔302的截面优选为正方形。

相较于实施例一种的结构，本实施例中将倾斜韧带403的数量增加为六个，能够更加有效地收集局部共振带隙内发生的共振，更好地收集振动能量，从而达到更好的减振效果，相较于实施例一具有更好的减振效果。

实施例三：

参照图4所示，本实施例与实施例一的区别仅在于，连接臂结构3的数量为六个，倾斜韧带403的数量为四个，共振筒401的截面形状为圆形。局域共振振子2的材料为铜，形状为圆柱形。

一个连接臂结构3上的第二空腔302的数量优选为六个，第二空腔302的截面优选为正方形。

第一空腔101优选为以形心为圆点，三个相邻角度为60度的长方形同形心并集的区域，每个连接臂结构3对应连接一个该区域形成的凹槽。

相较于实施例一种的结构，本实施例中将连接臂结构3的数量增加为六个，更多的连接臂结构3可以更好地减小雨刮片本体1在刮刷时产生的形变过大从而导致颤振的问题，具有更好的减振效果。

上述实施例中所记载的具体结构与数据设置为切实可行的可选方案，本方案中的仅仅举出了一部分情况，由于本方案中可选方案为无穷个，因此无法进行穷举，结构的参数选择可以根据实际需要进行调整，以满足雨刷器的结构能够产生符合雨刮片工作过程中产生的振动频率范围相当的带宽范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。