CN106023979B - 局部共振声学黑洞结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了局部共振声学黑洞(Acoustic Black Hole，ABH)的板或梁结构。局部共振声学黑洞结构包括声学黑洞区域(其厚度逐渐变薄的区域)、局部振子(如质量弹簧单元)以及声学黑洞延展部分组成。本发明利用具有弹簧振子特性的单元构成的局部振子，降低声学黑洞效应的有效作用频率范围，从而有效提高声学黑洞结构的振动控制效果。该发明在结构减振降噪中具有广泛地应用前景。

Description

局部共振声学黑洞结构
技术领域：
本发明涉及一种局部共振声学黑洞结构，其属于结构减振降噪技术领域。
背景技术：
声学黑洞(ABH)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，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。声学黑洞结构易于实现弹性弯曲波的操纵。
声学黑洞的另一个突出优势在于黑洞效应作用频率范围宽，在截止频率以上均有效。而截止频率往往受到ABH尺寸影响，而在ABH大小受限制的运用中其低频黑洞效应难以实现，因此急需通过有效途径降低作用频率。
局部振子概念在周期结构中被广泛运用，由于周期结构特殊的带隙特性，在一定的频率范围内有效的振动控制，由于结构周期性所形成的布拉格带隙也往往由于结构尺寸的限制而频率较高，因此引入局部共振的概念能够有效的降低带隙的范围。本发明在声学黑洞结构的基础上引入局部振子，旨在降低ABH结构中声学黑洞效应的有效作用频率。
发明内容：
本发明提供一种局部共振声学黑洞结构，其结合声学黑洞与局部振子，提高声学黑洞结构的振动控制效率，降低振动控制的有效作用频率范围。
本发明采用如下技术方案：一种局部共振声学黑洞结构，包括板结构以及与板结构相连的声学黑洞结构，所述板结构前后表面之间的距离自右向左固定不变，所述板结构上下表面之间的距离自右向左亦固定不变，所述声学黑洞结构的前后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，其中x表示位置，且声学黑洞结构最右末端的上下表面之间的距离与板结构上下表面之间的距离相等。
进一步地，自声学黑洞结构的左末端向左水平延伸形成延伸部，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。
进一步地，在所述声学黑洞结构的最左末端的延伸部连接有局部振子，局部振子包括柔性结构k以及与柔性结构相连的质量块m，或者局部振子为压电陶瓷换能器。
进一步地，所述延伸部为压电陶瓷，压电陶瓷连接外部pzt电路。
进一步地，所述延伸部上连接局部振子，所述局部振子包括柔性结构k以及与柔性结构相连的质量块m。
本发明具有如下有益效果：
(1).局部共振声学黑洞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，局部共振声学黑洞结构减轻了结构的重量；
(2).通过局部振子的共振效应有效降低声学黑洞结构振动控制的截止频率；
(3).局部共振声学黑洞结构易于将声学黑洞嵌入厚度均匀分布的固体结构中，通过改变厚度均布的固体结构的厚度形成局部共振声学黑洞结构所需要的厚度分布形式，从而改变固体结构阻抗，易于实现波的操纵；
(4).通过设计局部振子的特性，例如刚度与质量比或阻抗特性等，易于实现作用频带范围的调整；
附图说明：
图1为局部共振声学黑洞结构示意图。
图2为局部共振声学黑洞三维结构示意图。
图3A、3B、3C为局部振子的不同形式。
图4为多个声学黑洞排布的局部共振声学黑洞结构示意图。
图5为二维局部共振声学黑洞结构示意图。
具体实施方式：
本发明局部共振声学黑洞结构包括板结构1以及与板结构1相连的声学黑洞结构2，其中板结构1前后表面之间的距离自右向左固定不变，板结构1上下表面之间的距离自右向左亦固定不变。声学黑洞结构2的前后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，且声学黑洞结构2最右末端的上下表面之间的距离与板结构1上下表面之间的距离相等。在声学黑洞结构2的最左末端连接有局部振子4，局部振子4包括柔性结构k以及与柔性结构相连的质量块m，或者局部振子4为压电陶瓷换能器。
作为本发明局部共振声学黑洞结构的进一步改进，局部共振声学黑洞结构还包括有延伸部3，延伸部3自声学黑洞结构2的左末端向左水平延伸而成，因此延伸部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。在该种局部共振声学黑洞结构中，延伸部3同时作为局部振子。其中延伸部3可为压电陶瓷(pzt)，压电陶瓷(pzt)连接外部pzt电路。
作为上述第二种局部共振声学黑洞结构的改进，延伸部3不作为局部振子，而选择在延伸部3上连接局部振子4，其中局部振子4包括柔性结构k以及与柔性结构相连的质量块m。
如图3B所示的局部共振声学黑洞结构为本发明的第一实施例。材料厚度逐渐由厚度均匀的区域以半径的指数函数形式h(x)＝exm(指数m不小于2)递减，如位置x1截断，厚度停止递减。其在厚度截断后直接在端部连接局部振子。
如图3C所示的局部共振声学黑洞结构为本发明的第二实施例。材料厚度逐渐由厚度均匀的区域以半径的指数函数形式h(x)＝exm(指数m不小于2)递减，如位置x1截断，厚度停止递减，在端部连接压电陶瓷(pzt)并外联pzt电路。
如图1所示的局部共振声学黑洞结构为本发明的第三实施例。材料厚度逐渐由厚度均匀的区域以半径的指数函数形式h(x)＝exm(指数m不小于2)递减，如位置x1截断，厚度停止递减，而延伸出一段矩形平台(即延伸部3)如图2所示。由于厚度以指数形式递减，而由均匀部分向厚度变化部分过度的厚度连续如图3A所示，弹性弯曲波由均匀部分向厚度变小的区域传播，波传播的相速度逐渐减小，因而向厚度变小的区域聚集。到达截断处由于存在延伸部3，弯曲波继续以小波波速传播，从而增强在局部共振声学黑洞结构端部的能量聚集，在结构厚度较薄的端部，由于结构自身阻尼会耗散部分能量。此时，当延伸部连接局部振子有效地将聚集的能量转移至局部振子，转化为振子振动的能量。
在创建厚度变化的截面轮廓时，保证均匀区域到声学黑洞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声学黑洞区域的厚度变化，一方面可从均匀的部分中去除材料，其中“均匀”即指材料品质均匀也指厚度均匀，例如可以利用数控铣削加工。另一方面也可以通过3D打印一次成型，且更加保证了结构中声学黑洞部分厚度的精确性。实践中可以容易的实现厚度基于指数函数形式变化的截面的特殊轮廓以及声学黑洞的不同排布方式。
如图4所示的局部共振声学黑洞结构为本发明的第四实施例。由声学黑洞与局部振子形成单元，多个这样的单元在板结构上分布构成，材料厚度逐渐由厚度均匀的区域以同样的指数函数形式h(x)＝exm(指数m不小于2)递减，截断后延伸，再以指数函数形式递增至厚度均匀的区域，厚度变化区域截面对称。在截断延伸的区域连接局部振子。主结构厚度均匀部分与声学黑洞部分亦可等效为质量弹簧系统。
如图5所示的局部共振声学黑洞结构为本发明的第五实施例。其为在板结构中以圆形区域形成声学黑洞的二维局部共振声学黑洞结构。其中，声学黑洞区域的厚度变化的函数形式与上述声学黑洞结构相同，延伸区域为截断圆形区域的填充，主结构内厚度变化连续。本发明实现全向能量聚集，在声学黑洞中央区域连接局部振子，实现弹性波能量向局部振子的高效转移。二维局部共振声学黑洞结构同样可将声学黑洞与局部振子在结构中多个阵列。
本发明以提高振动控制效果与降低黑洞效应作用频率范围为目的对声学黑洞的个数与排布位置的设计方案以及优化的方法，提供截面厚度变化形式与局部振子特性影响的分析方法。
本发明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。本发明利用局部共振声学黑洞结构的延伸部分与局部振子多个这样的单元排布在结构中，利用局部振子的局部共振效应达到降低声学黑洞有效作用频率的目的。
综上所述，局部共振声学黑洞结构在结构振动控制中具有可行性，并且其实施便捷，成本经济，振动控制效率高，黑洞效应宽频有效，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 (2)

1.一种局部共振声学黑洞结构，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)前后表面之间的距离自右向左固定不变，所述板结构(1)上下表面之间的距离自右向左亦固定不变，所述声学黑洞结构(2)的前后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，厚度由右向左从位置xABH开始逐渐减小至位置x1截断，厚度停止递减，且声学黑洞结构(2)最右末端的上下表面之间的距离与板结构(1)上下表面之间的距离相等；
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；
所述延伸部(3)为压电陶瓷，压电陶瓷连接外部pzt电路。
2.一种局部共振声学黑洞结构，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)前后表面之间的距离自右向左固定不变，所述板结构(1)上下表面之间的距离自右向左亦固定不变，所述声学黑洞结构(2)的前后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，厚度由右向左从位置xABH开始逐渐减小至位置x1截断，厚度停止递减，且声学黑洞结构(2)最右末端的上下表面之间的距离与板结构(1)上下表面之间的距离相等；
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；
所述延伸部(3)上连接局部振子(4)，所述局部振子(4)包括柔性结构k以及与柔性结构相连的质量块m。
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