CN106023978B - 双层板声学黑洞减振降噪结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双层板声学黑洞减振降噪结构，由两块板结构A1结合而成，其中板结构A1包括均匀区域以及与均匀区域相连的声学黑洞区域，两块板结构A1上下方向放置于一起后其中的声学黑洞区域组合形成空腔区域，在空腔区域中填充有阻尼材料和吸声材料。本发明双层板声学黑洞减振降噪结构通过去除板结构自身材料，结合少量阻尼材料与吸声材料可实现高效率能量吸收或减振降噪的目的，其中阻尼材料消耗大部分弯曲波能量，达到能量吸收或者振动控制的目的，吸声材料耗散传递的能量，达到高效率能量吸收或减振降噪的目的。
Description
技术领域：
本发明涉及一种双层板声学黑洞减振降噪结构，其属于结构减振降噪技术领域。
背景技术：
形成结构振动并产生噪声辐射的本质原因通常可归结于结构中的弹性波传播效应，以及结构弹性波与周围声介质(如空气、水)的相互耦合作用。因此，对结构中的弹性波行为进行操控是实现结构减振降噪的一种有效手段。波的操控方法可以分为二类：主动方法和被动方法。主动方法一般需要外部提供能量，系统实现比较复杂，离实用化还有一定的距离，所以目前工程结构中普遍使用的是被动方法。现有的被动方法多采用阻尼材料对波进行衰减，但随着对民用飞机的舒适性、军用飞机的隐身性能等要求的不断提高，现有的被动方法已经不能满足设计要求。特别是在当前我国“全面提高重大装备技术水平”的国家战略发展需求下，更有必要大力发展结构减振降噪的新理论、新方法和新技术。声学黑洞概念的提出为实现“人为操控弹性介质及结构中的波传播”的研究掀起了崭新篇章，也为结构减振降噪的理论和技术突破提供了新的契机。
声学黑洞(ABH)是将天文物理学中的黑洞概念引入到波动和声振领域中，并将其作为一种全新的概念提出。声学黑洞效应实际上就是通过改变结构形式制作出来的陷波器，通过结构阻抗的变化，使得结构中传播的波相速度和群速度发生变化，在结构局部区域实现波的聚集。
改变结构阻抗实现声学黑洞效应的主要方式是改变结构的厚度。利用弯曲波在变厚度结构中的传播特性，当结构厚度按一定幂函数减小时，弯曲波的相速度和群速度也相应的减小。理想情况下，当厚度减小为零时，结构边缘的波速可减小到零，达到波的零反射，将所有的波动能量集中在结构的尖端位置，通过结构的阻尼和附加在结构上的阻尼材料，达到能量吸收或减振降噪的目的。将薄板结构的厚度按照一定的形式裁剪就得到了一个二维的ABH，形成类似于透镜或者黑洞的陷波器，将结构中传播的能量聚集在特定的位置。
理想的ABH结构边缘厚度可渐变为零，达到波在边缘处完全不反射的黑洞效果，但对于实际加工以及工程应用需求来说声学黑洞在还存在一定的技术不足，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，然而很小的截断厚度就会对黑洞效应产生严重的影响，从而无法作为一个理想的陷波器。与此同时，厚度的减小还会带来一个严重问题就是导致应力集中，造成结构强度的降低，在实际应用时需要解决保证单层声学黑洞结构强度的问题。此外，声学黑洞结构对于弹性弯曲波的聚集效应在截止频率以上均有效，而此截止频率受到声学黑洞几何尺寸的制约，如何在声学黑洞尺寸一定的情况下拓宽其有效作用频率范围，即降低黑洞效应作用频率也是一个急需解决的问题。
发明内容：
本发明的目的是为操控弹性介质及结构中的波传播，从而实现声学黑洞减振降噪提供一种全新的双层板声学黑洞减振降噪结构。
本发明采用如下技术方案：一种双层板声学黑洞减振降噪结构，由两块板结构A1结合而成，板结构A1包括均匀区域以及与均匀区域相连的声学黑洞区域，所述均匀区域前后表面之间的距离自右向左固定不变，均匀区域上下表面之间的距离自右向左亦固定不变，声学黑洞区域的上下表面之间的距离自右向左以指数函数形式h(x)＝exm(指数m不小于2)逐渐递减，且声学黑洞区域最右末端的上下表面之间的距离与均匀区域上下表面之间的距离相等，两块所述板结构A1上下方向放置于一起后其中的声学黑洞区域组合形成空腔区域，在空腔区域中填充有阻尼材料和吸声材料，所述阻尼材料粘贴于声学黑洞区域的弯曲表面，且阻尼材料的厚度小于板结构A1上最小的厚度的二分之一，所述空腔区域的其余区域中填满吸声材料。
进一步地，还包括有延伸区域，延伸区域自声学黑洞区域的左末端向左水平延伸而成，所述延伸区域上下表面之间的距离与声学黑洞区域最左末端的上下表面之间的距离相等。
进一步地，所述阻尼材料包括高聚物，聚合物。
进一步地，所述吸声材料包括纤维状吸声材料、颗粒状吸声材料、泡沫状吸声材料。
进一步地，所述声学黑洞区域排布于两块板结构A1相紧贴于一起的一侧表面，两块板结构A1的另一侧表面是平整的。
本发明具有如下有益效果：
(1).本发明双层板声学黑洞减振降噪结构是基于固体介质中的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，从而在一定的空间尺度上将宽频带的弯曲波聚集于结构厚度变薄的区域内。
(2).本发明双层板声学黑洞减振降噪结构通过去除板结构自身材料，结合少量阻尼材料与吸声材料可实现高效率能量吸收或减振降噪的目的，其中阻尼材料消耗大部分弯曲波能量，达到能量吸收或者振动控制的目的，吸声材料耗散传递的能量，达到高效率能量吸收或减振降噪的目的。
(3).本发明双层板声学黑洞减振降噪结构减轻了结构的重量。
(4).本发明双层板声学黑洞减振降噪结构利用两块板结构A1结合在一起，从而提高了声学黑洞结构强度。
(5).本发明双层板声学黑洞减振降噪结构厚度变化区域内填充材料，使得在能量发生聚集的区域高效率的实现能量耗散。
(6).本发明双层板声学黑洞减振降噪结构中填充材料位于声学黑洞空腔区域之内，保持了板面平整美观，避免平板以外的外部特征。
附图说明：
图1为双层板声学黑洞减振降噪结构示意图。
图2A为双层板声学黑洞减振降噪结构局部示意图。
图2B为声学黑洞区域的示意图。
图2C为另一声学黑洞区域的示意图。
图3为双层板声学黑洞减振降噪结构中声学黑洞分布方式示意图。
图4为一维声学黑洞结构中弹性波的传播特性图。
图5为双层板声学黑洞减振降噪结构填充材料示意图。
具体实施方式：
请参照图1和图2A、2B、2C所示，本发明双层板声学黑洞减振降噪结构A由两块板结构A1结合而成，其中板结构A1包括均匀区域1以及与均匀区域1相连的声学黑洞区域2，其中均匀区域1前后表面之间的距离自右向左固定不变，均匀区域1上下表面之间的距离自右向左亦固定不变。声学黑洞区域2的前后表面之间的距离自右向左固定不变，声学黑洞区域2的上下表面之间的距离自右向左以指数函数形式h(x)＝exm(指数m不小于2)逐渐递减，且声学黑洞区域2最右末端的上下表面之间的距离与均匀区域1上下表面之间的距离相等。两块板结构A1上下方向放置于一起后其中的声学黑洞区域2组合形成空腔区域3，在空腔区域3中填充有阻尼材料4和吸声材料5，其中阻尼材料4粘贴于声学黑洞区域2的弯曲表面，且阻尼材料4的厚度小于板结构A1上最小的厚度(厚度即为上下表面的距离)的二分之一，空腔区域3的其余区域中填满吸声材料5。其中阻尼材料包括高聚物，聚合物。吸声材料包括纤维状吸声材料、颗粒状吸声材料、泡沫状吸声材料。
作为本发明双层板声学黑洞减振降噪结构的进一步改进，双层板声学黑洞减振降噪结构还包括有延伸区域5，延伸区域5自声学黑洞区域2的左末端向左水平延伸而成，因此延伸区域3上下表面之间的距离与声学黑洞区域2最左末端的上下表面之间的距离相等。延伸区域5为半径为r1的圆形板，这样避免使得板结构上形成圆形穿孔，保证了结构外观的完整性同时保证结构的强度。
本发明双层板声学黑洞减振降噪结构中，声学黑洞区域2排布于两块板结构A1相紧贴于一起的一侧表面，而两块板结构A1的另一侧表面是平整的，即双层板声学黑洞减振降噪结构的外表面是平整的。
本发明双层板声学黑洞减振降噪结构中声学黑洞区域2有不同排布方式，如图3所列举的三种不同声学黑洞区域2排布形式，通过改变声学黑洞区域2的排布方式可实现全向能量聚集与耗散。
本发明原理如图4，在材料均匀的结构中，一定频率的波传播速度不变，波长也不会改变。当结构的厚度以指数形式减小，波的传播速度随着厚度的指数减小而减小，波长减小，振动幅度增加。本发明双层板声学黑洞减振降噪结构是基于固体介质中的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，从而在一定的空间尺度上将宽频带的弯曲波聚集与结构厚度变薄的区域内，通过去除板结构自身材料，结合少量阻尼材料与吸声材料可实现高效率能量吸收或减振降噪的目的，其中阻尼材料消耗大部分弯曲波能量，达到能量吸收或者振动控制的目的，吸声材料耗散传递的能量，达到高效率能量吸收或减振降噪的目的
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 (4)
1.一种双层板声学黑洞减振降噪结构，由两块板结构(A1)结合而成，其特征在于：板结构(A1)包括均匀区域(1)以及与均匀区域(1)相连的声学黑洞区域(2)，所述均匀区域(1)前后表面之间的距离自右向左固定不变，均匀区域(1)上下表面之间的距离自右向左亦固定不变，所述声学黑洞区域(2)的上下表面之间的距离自右向左以指数函数形式h(x)＝exm逐渐递减，其中指数m不小于2，x表示当前点到声学黑洞中心原点的距离，且声学黑洞区域(2)最右末端的上下表面之间的距离与均匀区域(1)上下表面之间的距离相等，两块所述板结构(A1)上下方向放置于一起后其中的声学黑洞区域(2)组合形成空腔区域(3)，在空腔区域(3)中填充有阻尼材料(4)和吸声材料(5)，所述阻尼材料(4)粘贴于声学黑洞区域(2)的弯曲表面，且阻尼材料(4)的厚度小于板结构(A1)上最小的厚度的二分之一，所述空腔区域(3)的其余区域中填满吸声材料(5)；
还包括有延伸区域(5)，延伸区域(5)自声学黑洞区域(2)的左末端向左水平延伸而成，所述延伸区域(3)上下表面之间的距离与声学黑洞区域(2)最左末端的上下表面之间的距离相等。
2.如权利要求1所述的双层板声学黑洞减振降噪结构，其特征在于：所述阻尼材料(4)为聚合物。
3.如权利要求2所述的双层板声学黑洞减振降噪结构，其特征在于：所述吸声材料(5)包括纤维状吸声材料、颗粒状吸声材料、泡沫状吸声材料。
4.如权利要求3所述的双层板声学黑洞减振降噪结构，其特征在于：所述声学黑洞区域(2)排布于两块板结构(A1)相紧贴于一起的一侧表面，两块板结构(A1)的另一侧表面是平整的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |