CN106023974B - 非完美声学黑洞截面构造 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非完美声学黑洞截面构造，包含厚度逐渐变薄的声学黑洞区域、厚度均匀部分以及厚度可变的阻尼材料部分。本发明利用声学黑洞中弯曲波折射率梯度分布的特性，通过改变结构的厚度变化形式，即选择不同的截面厚度变化函数，将弯曲波能量集中在结构中的特定位置。通过可变厚度的阻尼材料或能量回收装置，达到能量聚集和提高能量耗散效率的目的，起到振动控制或者能量回收的效果。该发明在结构振动控制中具有广泛地应用前景。

Description

非完美声学黑洞截面构造
技术领域：
本发明涉及用于能量聚集的新方法与新结构，尤其涉及一种非完美声学黑洞截面构造。
背景技术：
对波的操控作为一个新的理念在受到越来越多的关注，一些新的被动控制概念例如声学超材料或者周期结构等的提出，为人们进一步对结构中的波动进行操控提供了一定的参考依据。通过设计特殊形式的结构即能实现对结构中的波传播进行操控，以实现特定的功能和目的。声学黑洞Acoustic Black Hole(ABH)作为外一种新的概念和现象的提出，同样是依据结构设计而对结构中的波传播进行操纵，实现了将波动传递的能量聚集在特定的位置来加以耗散或者是利用，大大提高振动控制或者能量回收的目的。由于声学黑洞结构自身强有力的优势，通过结构的剪裁可实现对波的操控与聚集，使其可应用于轻质结构中，在振动控制时仅仅需要很少的阻尼层即可达到很好的效果。当在此种结构中的能量聚集位置添加能量转换器如压电材料PZT等，即可实现高效率的能量回收。因此声学黑洞结构在振动噪声控制以及能量回收领域都具有强大的潜能和广阔的应用前景。
理想的声学黑洞结构厚度以指数形式h(x)＝exm,(m≥2)变化，边缘厚度渐变为零而达到波在边缘处完全不反射的效果，但对于实际加工以及工程应用需求来说，实际结构的边缘不可能无限趋近于零，往往存在着一个截断厚度。同时他们还发现很小的截断厚度就会对黑洞效应产生严重的影响，ABH结构边缘的反射系数可达到50-70％，从而无法作为一个理想的陷波器。但只要通过在结构边缘粘贴阻尼材料即可有效降低反射系数。阻尼材料的引入一方面有效地提升声学黑洞效应，另一方面改变了结构的厚度即截面构造形式，于是产生了新的问题，即当声学黑洞截面构造改变后(非完美声学黑洞截面构造)对黑洞效应产生的影响需要进行深入的研究。
对于非完美声学黑洞截面构造，本发明还提供了除指数函数多项式外的三角函数多项式以及对数函数多项式描述的截面构造，这些形式对于弯曲波聚集有近似的效果，针对不同的截面构造需要进行以能量聚集为目的的厚度函数参数优化以及阻尼层特性优化。
发明内容：
本发明提供一种非完美声学黑洞截面构造，其目的是为操控弹性介质及结构中的波传播，实现弯曲波能量的聚集与高效率耗散，从而达到能量聚集的目的。
本发明采用如下技术方案：一种非完美声学黑洞截面构造，包括板结构以及与板结构相连的声学黑洞结构，所述板结构上下表面之间的距离自右向左固定不变，所述声学黑洞结构的上下表面之间的距离以函数形式h(r)＝erm+h1描述，式中r表示位置，其取值范围为0≤r＜rABH，h1为声学黑洞结构中对称线自上往下垂直边长，指数m大于零。
进一步地，所述声学黑洞结构上粘贴有附加材料层，所述附加材料层为阻尼层或者压电材料。
本发明还采用如下技术方案：一种非完美声学黑洞截面构造，包含包括板结构以及与板结构相连的声学黑洞结构，自声学黑洞结构的左末端向左水平延伸形成延伸部，所述延伸部上下表面之间的距离与声学黑洞结构最左末端的上下表面之间的距离相等，所述声学黑洞结构的上下表面之间的距离以函数形式h(r)＝e(r-r1)m+h1描述，式中r表示位置，r1为声学黑洞结构中上下表面之间的距离不变的一部分，其取值范围为0≤r＜rABH，h1为声学黑洞结构中对称线自上往下垂直边长，指数m大于零。
本发明又采用如下技术方案：一种非完美声学黑洞截面构造，包括板结构以及与板结构相连的声学黑洞结构，所述板结构上下表面之间的距离自右向左固定不变，所述声学黑洞结构的上下表面之间的距离以三角函数形式描述，式中rABH为声学黑洞结构的水平底边长。
本发明又采用如下技术方案：一种非完美声学黑洞截面构造，包括板结构以及与板结构相连的声学黑洞结构，自所述声学黑洞结构的左末端向左水平延伸形成延伸部，所述延伸部上下表面之间的距离与声学黑洞结构最左末端的上下表面之间的距离相等，所述声学黑洞结构的上下表面之间的距离以对数函数形式y＝e log2(r+c0)+hc描述，式中c0和hc为常数，c0表示曲线y＝e log2x在区间[1,1+r1]范围内平移的距离，r1为声学黑洞结构中上下表面之间的距离不变的一部分。
本发明具有如下有益效果：
(1).本发明是基于固体介质中传播的弯曲波随着厚度按一定幂函数减小其相应的相速度和群速度也减小，并且弯曲波传播的折射率在空间上呈梯度分布，而使得弯曲波传播方向发生偏转，传播速度与传播方向的变化使得弯曲波能量在特定位置聚集；
(2).本发明利用非完美声学黑洞截面构造的不同厚度变化规律，改变弯曲波的传播速度和方向，从而改变能量聚集的位置；
(3).本发明利用非完美声学黑洞截面构造凹陷区域的阻尼材料，耗散在非完美声学黑洞聚集的弯曲波能量；
(4).放宽了声学黑洞聚集弯曲波的条件，在结构厚度不严格满足声学黑洞截面几何构型的条件下依然能实现聚集弯曲波；
(5).非均匀厚度阻尼材料(压电材料)的运用提高能量耗散(能量回收)的效率。
附图说明：
图1为非完美声学黑洞截面构造示意图。
图2为无中心圆板的非完美声学黑洞截面构造示意图。
图3为含有中心圆板的非完美声学黑洞截面构造示意图。
图4A(1)和4A(2)为指数函数多项式描述的非完美声学黑洞截面构造示意图。
图4B为三角函数多项式描述的非完美声学黑洞截面构造示意图。
图4C为对数函数多项式描述的非完美声学黑洞截面构造示意图。
图5A为非完美声学黑洞截面构造曲面附着厚度均匀的阻尼层示意图。
图5B为非完美声学黑洞截面构造曲面附着厚度非均匀的阻尼层示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示为本发明非完美声学黑洞截面构造的第一实施例，其中右图为左图对称截面的截面示意图，其包括板结构1以及与板结构1相连的声学黑洞结构2，板结构1上下表面之间的距离自右向左固定不变，声学黑洞结构2的上下表面之间的距离以指数函数形式h(r)＝erm+h1(如图4A(1)所示)描述，式中r表示位置，其取值范围为0≤r＜rABH，h1为声学黑洞结构(2)中对称线自上往下垂直边长，指数m大于零。
如图3所示为本发明非完美声学黑洞截面构造的第二实施例，其包括板结构1以及与板结构1相连的声学黑洞结构2，自声学黑洞结构2的左末端向左水平延伸形成延伸部3，延伸部3上下表面之间的距离与声学黑洞结构2最左末端的上下表面之间的距离相等，声学黑洞结构2的上下表面之间的距离以指数函数形式h(r)＝e(r-r1)m+h1(如图4A(2)所示)描述，式中r表示位置，其取值范围为r1≤r＜rABH，r1为延伸部3自右向左的水平底边长，此区域内上表面到下表面的距离一定，h1为声学黑洞结构2左末端的自上往下垂直边长，即为r1范围之内结构的厚度，指数m大于零。
如图4B所示为非完美声学黑洞截面构造的第三实施例，其包括板结构1以及与板结构1相连的声学黑洞结构2，板结构1上下表面之间的距离自右向左固定不变，声学黑洞结构2的上下表面之间的距离以三角函数形式描述，式中rABH为声学黑洞结构2的水平底边长。该实施例中厚度是以三角函数形式描述的非完美声学黑洞截面构造，是以取如图4B中虚线框内三角函数y＝sinx在[-π,0]区间段构成的曲线缩放平移以后得到。
如图4C所示为非完美声学黑洞截面构造的第四实施例，其包括板结构1以及与板结构1相连的声学黑洞结构2，自声学黑洞结构2的左末端向左水平延伸形成延伸部3，延伸部3上下表面之间的距离与声学黑洞结构2最左末端的上下表面之间的距离相等，声学黑洞结构2的上下表面之间的距离以对数函数形式描述的非完美声学黑洞截面构造，是以取如图4C中虚线框内对数函数y＝log2x在大于1的一段区间内构成的曲线缩放平移以后得到，经过缩放平移后上下表面之间的距离可以以函数h(r)＝e log2(r+c0)+hc描述，式中c0和hc为常数，表示曲线y＝e log2x在区间[1，1+r1]范围内平移的距离，r1为声学黑洞结构2中上下表面之间的距离不变的一部分。
由于均匀部分向厚度变化部分过度的厚度连续，弹性弯曲波由均匀部分向厚度变小的区域传播，波速逐渐减小，折射率在空间上呈梯度分布，因此传播方向发生偏转而聚集。在创建厚度变化的截面轮廓时，保证均匀区域到ABH区域的厚度连续变化，以尽可能避免因不连续而引起的波反射。可以用不同的方法实现薄板结构ABH区域的厚度变化，一方面可从均匀的部分中去除材料，实践中可以容易的实现厚度基于不同函数形式变化的特殊几何截面轮廓。
非完美声学黑洞截面将弯曲波聚集到厚度变化的特定区域，在声学黑洞结构2布置附加材料层4(如阻尼层或者压电材料)实现高效率能量耗散(能量回收)，如图5A所示阻尼层(压电材料)厚度均匀变化，其厚度也可为非均匀分布如图5B所示，阻尼层特性包括其厚度变化规律的优化可实现能量耗散效率的优化，从而达到最好的振动控制效果。
综上所述，非完美声学黑洞截面构造在结构振动控制中具有可行性，并且其厚度变化规律容易形成，成本经济，能量聚集效应宽频有效，具有广泛地应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种非完美声学黑洞截面构造，其特征在于：包含包括板结构(1)以及与板结构(1)相连的声学黑洞结构(2)，自声学黑洞结构(2)的左末端向左水平延伸形成延伸部(3)，所述延伸部(3)上下表面之间的距离与声学黑洞结构(2)最左末端的上下表面之间的距离相等，所述声学黑洞结构(2)的上下表面之间的距离以函数形式h(r)＝e(r-r1)m+h1描述，式中r表示位置，r1为声学黑洞结构(2)中上下表面之间的距离不变的一部分，其取值范围为0≤r＜rABH，h1为声学黑洞结构(2)中对称线自上往下垂直边长，指数m大于零。
2.一种非完美声学黑洞截面构造，其特征在于：包括板结构(1)以及与板结构(1)相连的声学黑洞结构(2)，所述板结构(1)上下表面之间的距离自右向左固定不变，所述声学黑洞结构(2)的上下表面之间的距离以三角函数形式描述，式中rABH为声学黑洞结构(2)的水平底边长。
3.一种非完美声学黑洞截面构造，其特征在于：包括板结构(1)以及与板结构(1)相连的声学黑洞结构(2)，自所述声学黑洞结构(2)的左末端向左水平延伸形成延伸部(3)，所述延伸部(3)上下表面之间的距离与声学黑洞结构(2)最左末端的上下表面之间的距离相等，所述声学黑洞结构(2)的上下表面之间的距离以对数函数形式y＝e log2(r+c0)+hc描述，式中c0和hc为常数，c0表示曲线y＝e log2x在区间[1,1+r1]范围内平移的距离，r1为声学黑洞结构(2)中上下表面之间的距离不变的一部分。
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