CN105135199B - 能够集中振动响应的结构、变厚度减振降噪结构及减振板材 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能够集中振动响应的结构、变厚度减振降噪结构及减振板材，其中集中振动响应的结构设置于平面或曲面板材上，该结构的厚度由边缘向中心递减。通过设置厚度向中心递减的结构，使得其所在板材内部的弯曲波能够聚集在变厚度结构的中心位置，形成声聚焦效应，使得遍布板材的振动集中在变厚度结构的位置，在此基础上增加附加阻尼层和/或动力吸振器进行减振降噪。显著增强了单位附加质量对板结构振动噪声控制的有效性，从而有利于在控制结构振动噪声响应的同时实现整体的轻量化。

Description

能够集中振动响应的结构、变厚度减振降噪结构及减振板材

技术领域

本发明涉及一种结合阻尼层或动力吸振器(Dynamic Vibration Absorber,DVA)的变厚度板减振降噪复合结构。所述复合结构可应用于有减振降噪要求的板式机械及建筑构件中，如建筑物、汽车、轨道列车、船舶、飞机，运载火箭等。

背景技术

为提高舒适度等性能，减振降噪是很多建筑及机械结构设计的一个重要指标。根据基本的物理定律，增加系统质量是一种最简单而有效振动噪声控制方法。如在对质量增加不敏感的场合，提高板结构(如建筑物墙体)的面密度可以显著提高结构的隔声水平[1]。而这一措施在汽车、火车、飞机等交通工具的减振降噪应用中却作用有限。对于交通工具，在降低结构振动噪声水平以提高舒适度的同时，还要尽可能的降低系统质量，实现轻量化，从而减少能源消耗和排放污染。例如对于汽车而言，整车质量每减少10％，油耗及有害气体排放量约可降低6％～8％[2]。

附加阻尼层或动力吸振器(DVA)是控制汽车及火车车厢和飞机客舱等薄板结构振动噪声水平的两种主要方式。阻尼层通常贴附于结构的表面，通过增加结构的阻尼、耗散振动能量来达到减振降噪的效果。阻尼材料对振动噪声的衰减作用可以体现在结构工作的所有频率上，尤以在结构自然频率附近最为明显。同时，阻尼减振的效果往往正比于材料的密度、厚度与覆盖面积，即正比于附加质量。与阻尼层不同，DVA通过将主结构的振动能量“吸收”转移的到附属结构中来控制主结构的振动噪声水平。因而DVA通常设计工作于结构响应最大的某一或几个频率；同时附加于结构振动响应最大，即能量最大的空间点。这一工作原理决定了DVA是典型的窄带控制措施，其减振降噪效果仅限于其所设计频率及附近的区域。DVA的作用效果和带宽一般与附加的DVA质量大小成正比，这一点与阻尼层类似。

以上对两种典型振动噪声控制措施的简单分析可知，结构振动噪声响应的降低通常以增加附加质量为代价，从而限制了结构整体(如车辆)轻量化程度的提高。在已有的兼顾轻量化及减振降噪要求的技术实施方案中，复合夹芯板结构得到了广泛的讨论。

板结构的噪声辐射取决于在一定激励下板表面的振动响应，而其表面振动响应又决定于板的模态响应特性。对应不同激振频率，板平面各处都有可能是响应极大值点。因而降低板整体平均响应的一个保守做法是在整块板上附加阻尼层或多处附加大量DVA，这显然不利于轻量化。可以想象，如果能将板响应最大点集中于某个或某几个区域，然后在这些区域有针对性地施加控制措施，则可大大提高单位附加质量的振动噪声控制效果。由于造成板结构噪声辐射的弯曲波的波速是板厚的函数，理论分析表明：当板厚按一定指数规律从某一非零数值逐渐过渡到边缘厚度为0时，弯曲波不会在边界发生反射，而是聚集在便厚度板的边缘，此即“声聚焦”效应。

根据这一原理，已有研究结果表明当有限大板上存在厚度按一定规律变化的变厚度区域时，板在各频率激励下的振动响应最大值集中在变厚度区。如此时在变厚度区域附加阻尼层或DVA，则可同时利用变厚度板的“声聚焦”效应及阻尼层的“耗能”及DVA的“吸能”特点，提高单位附加质量的减振降噪效果，从而实现振动噪声控制效果最大化的同时保持结构的轻量化。此即本发明提出的集成阻尼层或动力吸振器的变厚度板减振降噪结构的理论基础。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种能够集中振动响应的结构，设置于平面或曲面板材上，该结构的厚度由边缘向中心递减。通过设置厚度向中心递减的结构，使得其所在板材内部的弯曲波能够聚集在变厚度结构的中心位置，形成声聚焦效应，使得遍布板材的振动集中在变厚度结构的位置，便于采取相应的减振降噪措施。

更进一步的，结构用于构成板式机械、建筑等结构时(如汽车车身)，有利于在保持整体轻量化的条件下实现对结构振动噪声响应的有效控制。

根据理论分析，设板结构厚度按下式规律变化：

h(x)＝εx^m (0)

式(0)中，h为板厚；x为板长度方向坐标，x≥0且x＝0为板的边缘或厚度最小处；ε和m为常数，其中m≥2。此时板内弯曲波在板末端边缘处不会产生反射，即能量被吸收在厚度趋于零的板末端。

实际使用中，可以将公式(0)所示的变厚度特征集成到板式结构中。由于实际板上任何位置的厚度都不可能为零，而只能趋于某一固定小量。设此值为h₀，则板变厚度区的厚度表达式为：

h(x)＝εx^m+h₀ (1)

其中h₀为结构中心区域的厚度；h(x)为沿x方向结构各处厚度；结构中心点处设x＝0；x的最大取值，x_max为从变厚度结构中心点到变厚度区域边缘的最大距离；h(x_max)代表板边缘最大厚度；ε和m为常数；当结构中心厚度，结构边缘最大厚度及其对应的x_max值和常数m均给定后，ε可由公式求出。

m出现在幂指数的位置，代表厚度变化一定是幂指数形式，且m必须大于等于2时才会出现振动集中现象。一般的，2≤m≤3。

作为优选的实施方式，所述的结构的水平正投影为圆形、椭圆形或者方形等形状，只要满足厚度表达式(1)即可。

特别的，当水平正投影为圆形时：

结构的厚度变化包络线由如下公式以极坐标形式给出：

其中0≤ρ≤r，结构圆心处为极坐标的零点，厚度为h₀，h为板厚；ρ为极径，其最大取值为r；为极坐标角度，取值范围为0到2π弧度；m和ε为常数；m取值大于等于2；ε取值在变厚度结构中心处的厚度最小值h₀，边缘处的厚度最大值变厚度结构半径r及常数m给定后，可由公式(2)求出。

一种变厚度减振降噪结构，设置与平面或曲面板材上，包括所述的能够集中振动响应的结构；以及设置在所述能够集中振动响应结构上的附加阻尼层和/或动力吸振器DVA。

作为优选的实施方式，所述的附加阻尼层为自由阻尼层，可通过粘贴或喷涂的方式固定在所述的能够集中振动响应的结构内，形成变厚度减振降噪结构。

更进一步的，所述的附加阻尼层为约束阻尼层，包括：位于表层的额外约束板和该约束板下方的自由阻尼层，所述约束板为刚性板，可选用铝板等。

作为优选的实施方式，所述的动力吸振器DVA为连续参数型动力吸振器。采用分布(或连续)参数型动力吸振器便于控制厚度，即整个吸振器的高度与板基材的高度接近，便于形成等厚度板。

对于某些不要求使用等厚度板的场合，采用离散参数型动力吸振器或者其它类型的动力吸振器也可达到相同的减振效果。

一种减振板材，该板材为平板或弧形板材，在板材的表面设有一个或多个所述的变厚度降噪结构，形成一个或多个变厚度降噪区域。通过将板振动能量相对集中到变厚度区域中，然后在该结构内有针对性地附加阻尼层或DVA，显著增强了单位附加质量对板结构振动噪声控制的有效性，从而有利于在控制结构振动噪声响应的同时实现整体的轻量化。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为变厚度板加阻尼层正视图；

图1b.变厚度板加阻尼层侧面结构剖视图；

图1c.变厚度板加约束阻尼层侧面结构剖视图；

图2a.集成多个变厚度单元与DVA的变厚度板结构正视图；

图2b.变厚度板附加集总参数DVA的侧面剖视图；

图2c.变厚度板附加分布参数DVA的侧面剖视图；

图3.具有2个变厚度区域的变厚度板实际算例示意图；

图4.等厚度板与附加阻尼层和DVA的变厚度板的速度平均响应结果比较示意图。

图中：1.变厚度基板、2.变厚度结构单元、3.厚度变化包络线、4.附加阻尼材料、5.附加约束阻尼层的约束板、6.集中质量DVA质量、7.附加集中质量DVA弹簧刚度、8.附加集中质量DVA阻尼、9.附加集中质量DVA、10.分布质量DVA质量、11.分布质量DVA的刚度和阻尼、12.附加分布质量DVA、13.等厚度板的速度平均响应、14.附加自由阻尼层的变厚度板的速度平均响应、15.附加DVA的变厚度板的速度平均响应。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

本发明所述为一种集成变厚度结构单元及阻尼层和/或DVA的用于减振降噪的复合板式结构。图1表示了本发明的一种具体应用结构形式。该结构包括一块长为L，宽为W的变厚度基板1(简称基板)，其最大厚度为h。基板1上通过常用机械加工方式嵌入多个圆形变厚度结构单元2。变厚度单元半径为r，其长度及宽度方向上的两两圆心间距分别为dx和dy。显然dx和dy取值都应至少大于变厚度单元半径r的两倍。在每一变厚度单元内，板的厚度由边缘的h逐渐减小到中心处的最小值h₀。由厚度变化包络线3所定义的厚度变化应符合前述公式(2)所定义的数学形式。对于圆形变厚度单元，其厚度变化要求可以方便的由极坐标形式给出：

式(3)中，变厚度单元圆心处为极坐标的零点，厚度为h₀；ρ为极径，最大取值为r；为极坐标角度，取值范围为0到2π弧度；m和ε为常数；m取值大于等于2；ε取值决定于变厚度单元中心处的厚度最小值h₀，边缘处的厚度最大值h，变厚度单元半径r及常数m；ε可由公式(3)求出。当板结构上嵌入如上所述的变厚度单元后，板结构在外激励下的振动响应最大值呈现出集中在变厚度区域处的趋势。此时在变厚度单元处附加自由阻尼层4(图1b)或额外约束板5构成的约束阻尼层(图1c)，可以有效的降低整板的平均振动响应。为美观起见，可以使加入自由阻尼层或约束阻尼层后原变厚度区域的总厚度为h，使得整个复合板结构各处的厚度相同。

图2为本发明的另一种具体应用结构形式。该结构将嵌有多个符合公式(3)描述的变厚度单元的板结构与DVA相结合。图2b表示在每一个变厚度单元的中心处附加一个由质量6，弹簧原件7和阻尼原件8组成的离散参数型集中质量动力吸振器9。DVA质量，弹簧刚度及阻尼的取值由具体应用及所关心的控制频率来决定。图2c为集成了分布质量动力吸振器12的变厚度板复合结构。其中起DVA质量作用的薄板形结构10通过既包含一定刚度和阻尼的粘弹性材料层11连接于嵌有变厚度单元2的基板1上。图2c结构的特点在于可以通过调节薄板形结构10及粘弹性材料层11的厚度及材料属性来达到调整DVA控制频率的目的，同时实现整个复合板结构各处的厚度相同。

下面通过一个具体实施实例的有限元仿真结果来进一步说明本发明对板结构振动响应的控制效果。图3所示为一长399mm，宽为199.5mm的矩形钢板，其厚度h＝4.9mm。板上对称布置了两个相距为150mm的圆形变厚度区域。变厚度区域中心处的最小板厚为h₀＝0.44mm。变厚度区域半径为57mm。若m取值为2.2，由公式(3)计算得到常数ε为6.17e-4。在两变厚度区域内可以按图1b的形式附加自由阻尼层，阻尼材料的密度为1922kg/m³，杨氏模量为3.2GPa，阻尼损耗比为0.55，总附加质量为0.04kg。或按图2b的形式附加两个集中质量DVA，DVA的阻尼比为0.55，调谐频率分别为608Hz及3072Hz，总附加质量仍为0.04kg。

设施加于板几何中心的单位力激励，图4比较了等厚度板与附加阻尼层和DVA的变厚度板的速度平均响应。其中等厚度板为长宽与变厚度板相同且同质，各处厚度均一为4.9mm，总质量为3.04kg的钢板。与等厚度板响应曲线13相比，附加阻尼层的变厚度板响应14显著降低；而附加DVA后的变厚度板响应15虽然存在局部峰值，但在DVA调谐频率(608Hz及3072Hz)附近响应明显低于其它两种情况。

下表1列出了各种情况下板的平均速度响应幅值。显而易见，按本发明所构造的附加阻尼层变厚度复合板及附加DVA变厚度复合板可以在实现整体结构轻量化的前提下更有效的控制结构的振动响应，从而进一步降低结构噪声辐射水平。

表1. 6.4kHz频带内板平均速度响应

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，比如更改动力吸振器的类型，采用离散参数型动力吸振器或其它类型的动力吸振器，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种减振降噪板材，其特征在于：所述板材为平板或弧形板材，在板材的表面设有一个或多个变厚度结构，所述变厚度结构的厚度由边缘向中心递减，且在所述变厚度结构附加有阻尼层和/或动力吸振器DVA；

所述变厚度结构的厚度变化包络线由如下公式求出：

h(x)＝εx^m+h₀ (1)

其中h₀为结构中心区域的厚度；h(x)为沿x方向结构各处厚度；结构中心点处设x＝0；x的最大取值，x_max为从变厚度结构中心点到变厚度区域边缘的最大距离；h(x_max)代表板边缘最大厚度；ε和m为常数；当结构中心厚度，结构边缘最大厚度及其对应的x_max值和常数m均给定后，ε可由公式求出；

所述变厚度结构的正投影为圆形；

所述变厚度结构的厚度变化包络线由如下公式以极坐标形式给出：

其中0≤ρ≤r，结构圆心处为极坐标的零点，厚度为h₀，h为板厚；ρ为极径，其最大取值为r；为极坐标角度，取值范围为0到2π弧度；m和ε为常数；m取值大于等于2；ε取值在变厚度结构中心处的厚度最小值h₀，边缘处的厚度最大值变厚度结构半径r及常数m给定后，可由公式(2)求出；

所述的附加阻尼层为自由阻尼层；

所述的自由阻尼层为片材型自由阻尼层或涂覆型自由阻尼层；

所述的附加阻尼层为约束阻尼层，该阻尼层包括位于表层的额外约束板和该约束板下方的自由阻尼层；

所述的动力吸振器DVA为连续参数型动力吸振器。