CN108122551A - 一种声学黑洞振动吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声学黑洞振动吸收器，所述振动吸收器包括圆盘形结构，所述圆盘形结构的上、下表面的距离由所述圆盘形结构的中轴线向外边缘逐渐减小变化，所述圆盘结构包括黑洞区域，所述黑洞区域的上、下表面之间的距离从外边缘向中轴线方向呈分段函数形式变化，避免声学黑洞结构的厚度变化规律的改变引起的边缘的弯曲波的反射，利用ABH效应和动力吸振的特性，实现宽带振动控制的效果，同时也突破了传统动力吸振单频率有效的局限性，扩宽声学黑洞结构的有效作用频率范围。

Description

一种声学黑洞振动吸收器

技术领域

本发明涉及振动控制领域，特别涉及一种声学黑洞振动吸收器。

背景技术

声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化，使得波在结构中的传播速度逐渐减小，理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象。实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照幂函数形式(h(x)＝εx^m,m≥2)裁剪，从而利用声学黑洞效应将结构中传播的波动能量聚集在薄板结构尖端厚度趋近于零的位置。但在实际加工形成的声学黑洞结构中，很难实现结构厚度按照上述形式变化至零，而是不可避免的发生一些改变，比如说在尖端厚度很薄的地方截断或者在结构上留下残余厚度。而一旦声学黑洞的厚度变化规律发生上述改变，结构边缘的弯曲波会反射回来，使其有效作用的频率范围受到限制。

发明内容

本发明的目的是为了扩宽声学黑洞结构的有效作用频率范围，提供一种声学黑洞振动吸收器。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种声学黑洞振动吸收器，所述振动吸收器设置在被减振结构上，所述振动吸收器包括圆盘形结构，所述圆盘形结构的上、下表面的距离由所述圆盘形结构的中轴线向外边缘逐渐减小变化，所述圆盘结构包括黑洞区域，所述黑洞区域的上、下表面之间的距离从外边缘向中轴线方向呈分段函数形式变化。

可选的，所述分段函数为：

其中，x表示距外边缘的距离，h(x)表示距外边缘的距离为x处的黑洞区域的上下表面之间的距离，x₁表示最小厚度的延伸距离，h₁表示声学黑洞的剩余厚度。

可选的，所述圆盘形结构还包括均匀区域，所述均匀区域设置于所述圆盘形结构的中轴线位置并位于所述黑洞区域的内侧，与所述黑洞区域相连通，所述均匀区域的上、下表面之间的距离不变。

可选的，所述均匀区域的形状为以所述圆盘形结构的中轴线为中轴线的圆柱形结构，所述圆柱形结构的高度等于所述黑洞区域的上、下表面之间的最大距离。

可选的，所述振动吸收器还包括圆环形阻尼垫片，所述圆环形阻尼垫片的外径与所述圆盘形结构的外径相同，所述圆环形阻尼垫片粘附于所述圆盘形结构的下表面。

可选的，其特征在于，所述振动吸收器还包括保护盒，所述保护盒套设在所述圆盘形结构的外部。

可选的，所述振动吸收器还包括两个连接螺杆，两个所述连接螺杆将所述圆盘形结构和所述保护盒固定连接，并将所述圆盘形结构和所述保护盒与所述被减振结构连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种声学黑洞振动吸收器，所述振动吸收器采用分段函数的形式设计黑洞的结构，避免声学黑洞结构的厚度变化规律的改变引起的边缘的弯曲波的反射，扩宽了声学黑洞结构的有效作用频率范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要的附图作简单介绍。显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，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，还可以根据这个附图获得其他附图。

图1为本发明提供的一种声学黑洞振动吸收器的整体结构图；

图2为本发明提供的一种声学黑洞振动吸收器的局部结构图；

图3为本发明提供的一种声学黑洞振动吸收器的保护盒的结构图；

图4为本发明提供的一种声学黑洞振动吸收器的连接螺杆的连接示意图；

图5为本发明提供的实施例一的4mm厚的板结构上附加声学黑洞振动吸收器阻尼特性示意图；

图6为本发明提供的实施例二的4mm厚的板结构上附加声学黑洞振动吸收器的振动响应图；

图7为本发明提供的实施例三的3mm厚的板结构上附加声学黑洞圆盘状振动吸收器阻尼特性示意图。

具体实施方式

本发明目的是提供一种声学黑洞振动吸收器，以扩宽声学黑洞结构的有效作用频率范围。

为使本发明上述目的、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技术发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种声学黑洞振动吸收器，所述振动吸收器设置在被减振结构上，所述振动吸收器包括圆盘形结构，所述圆盘形结构的上、下表面的距离由所述圆盘形结构的中轴线向外边缘逐渐减小变化，所述圆盘结构包括黑洞区域1，所述黑洞区域1的上、下表面之间的距离从外边缘向中轴线方向呈分段函数形式变化。

可选的，所述分段函数为：

其中，x表示距外边缘的距离，h(x)表示距外边缘的距离为x处的黑洞区域的上下表面之间的距离，x₁表示最小厚度的延伸距离，h₁表示声学黑洞的剩余厚度。

可选的，所述圆盘形结构还包括均匀区域2，所述均匀区域2设置于所述圆盘形结构的中轴线位置并位于所述黑洞区域1的内侧，与所述黑洞区域1相连通，所述均匀区域2的上、下表面之间的距离不变。

可选的，所述均匀区域2的形状为以所述圆盘形结构的中轴线为中轴线的圆柱形结构，所述圆柱形结构的高度等于所述黑洞区域1的上、下表面之间的最大距离。

如图2所示，所述均匀区域2与黑洞区域1直接连接，在具体加工制作过程中两部分一起完成，例如，可以通过对一个半径为X且厚度为H的圆板结构进行铣削，通过结构剪裁实现声学黑洞区域厚度的减小，或者通过3D打印等先进加工手段直接一体成型。此时，对于黑洞区域1的最大厚度为H，可计算出黑洞区域1最内侧距外边缘的距离x₂，则均匀区域2的半径为X-x₂；

可选的，所述振动吸收器还包括圆环形阻尼垫片3，所述圆环形阻尼垫片3的外径与所述圆盘形结构的外径相同，所述圆环形阻尼垫片3粘附于所述圆盘形结构的下表面。具体的，所述圆环形阻尼垫片3的材料为厚度可变的阻尼材料，如图2所示，圆环形阻尼垫片3在黑洞区域1的外表面呈环形粘贴。圆环形阻尼垫片3的最左端对齐黑洞区域1的端部，圆环形阻尼垫片3的上表面与黑洞区域1的下表面贴合，粘贴范围x_d不大于黑洞区域1，即x_d≤x₂，厚度小于6倍的黑洞区域1的上、下表面之间的最小距离。所述阻尼材料通常为高分子聚合物，例如塑胶材料等，其材料杨氏模量小于黑洞区域1的杨氏模量，材料损失因子远大于黑洞区域1的材料损失因子。当黑洞区域的波聚集于结构厚度较小的尖端时，通过粘贴在端部位置的阻尼材料实现有效地能量耗散。

可选的，其特征在于，所述振动吸收器还包括保护盒5，所述保护盒5套设在所述圆盘形结构的外部。

具体的，如图3所示，所述保护盒5包括盒体5A和盒盖5B，所述盒体5A与盒盖5B通过螺纹连接，便于安装和替换盒内的圆盘形结构及圆环形阻尼垫片3。在盒体5A底部有两个圆孔，孔的位置与均匀区域2上螺纹孔的位置对应。盒体的材料可采用塑料，以减轻振动吸收器的整体质量。保护盒5的主要作用是将声学黑洞部分尖锐边缘保护起来，便于在实际结构振动控制中的安全使用。

可选的，所述振动吸收器还包括两个连接螺杆4，两个所述连接螺杆将所述圆盘形结构和所述保护盒固定连接，并将所述圆盘形结构和所述保护盒与所述被减振结构连接。

具体的，如图4所示，两个所述连接螺杆首先将均匀区域2和保护盒5采用螺纹连接的方式连接在一起，同时外露部分用于与被减振结构连接。

实施例一：将3个本发明提供的声学黑洞振动吸收器附加在0.6*0.2*0.004m的均匀铝板上，振动吸收器的材料同样为铝。在自由边界条件下分析其阻尼特性如图5所示。在被减振结构上附加声学黑洞振动吸收器后，其系统的阻尼损失因子相比在被减振结构上附加等量质量圆形铝板的阻尼有10-20倍的提升，仅仅在250Hz以下的少数几个模态阻尼特性表现不佳，这主要是因为声学黑洞效应与结构的维度有着很大的关系，但是这个可以通过优化质量和维度进行优化改善。总体而言，附加声学黑洞振动吸收器可以很大程度提升铝板的阻尼特性，同时质量也不会显著增加。

实施例二：对实施例一中的被减振结构的振动响应进行分析，图6所示为被减振结构表面的均方速度。在整个宽频带内仅仅在100Hz、280Hz、1500Hz处声学黑洞振动吸收器的振动水平强于参考结构，而其它所有频率均有5-30dB的振动减小，这主要是因为被减振结构与声学黑洞振动吸收器的系统具有非常高的模态损失因子，可以很大程度的发挥其特性，吸收波动能量，降低振动水平。

实施例三：在板的长和宽为700mm，厚度在为3mm的铝板上布置5*5个本发明的声学黑洞振动吸收器，振动吸收器的材料为树脂。铝的损失因子为0.001，树脂的损失因子为0.005。在不加任何阻尼材料的情况下，在4kHz的频率范围内，对比均匀铝板与附加声学黑洞振动吸收器后的整体的模态损失因子，如图7所示。定义参数B来分析在整个计算频率范围之内结构损失因子提高的程度：

其中，η_i为整体的损失因子，η_plate为铝板的损失因子。在4kHz之内，整体损失因子相比均匀板结构提高了3.5637倍，可见附加附加本发明的声学黑洞振动吸收器后，系统的模态损失因子进一步提高。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

目前的声学黑洞结构形式较少，通常为一维声学黑洞梁结构和含有二维声学黑洞凹痕的板结构。在目前国内对声学黑洞结构的应用中，通常将声学黑洞内嵌在结构中，通过对被减振结构的剪裁来实现。从而导致ABH结构在实际应用中还存在的诸多技术性问题：

1)结构形式的单一局限了声学黑洞结构的应用范围，能将楔形边缘以及中心区域厚度极小的声学黑洞内嵌在被控结构的实施案例有限；

2)由于内嵌式声学黑洞自身结构形式的问题，比如一维声学黑洞尖端尖锐、连接与装配问题、被减振结构在某些实际应用条件中不允许被剪裁等问题，给声学黑洞结构在实际应用中带来诸多不便；

3)结构中的声学黑洞效应既包含对结构中传播的波能量的聚集效应，也必须包含对能力的耗散效应，目前的声学黑洞未通过结构设计最大化挖掘能量聚集与耗散的潜力；

4)声学黑洞效应在较高频率范围之内具有宽频特性，其最低有效作用频率(特征频率)受到声学黑洞特征尺寸的限制，在尺寸大小有限制的声学黑洞结构中，特征频率以下的低频范围作用不太理想，这也是声学黑洞结构在目前的实际应用中需要解决的难题。

本发明提供的的声学黑洞振动吸收器，目的是为了利用一种轻质被动振动控制元件，既能实现现有声学黑洞结构的宽频振动抑制效果，并且最大程度利用结构厚度变化部分实现声学黑洞效应，以及提供最大的阻尼材料有效作用的范围，又能够利用振动吸收器自身动力学特性与被减振结构动力学特性之间的相互匹配，进一步扩宽声学黑洞效应在实际振动控制应用中的有效作用频带范围。另外，还能够解决在实际应用中的结构问题。

结构上，放松理想ABH的幂指数截面形式，截面厚度变化规律表述为：h(x)＝ε(x-x₁)^m+h₁。将该截面旋转一周，即形成ABH圆盘形结构，并且在结构尖端可将最薄的地方做适当的延伸，延伸的长度为表达式中的x₁，这样既利于结构的加工，同时还可以有效提高ABH效应。

由于ABH结构边缘处厚度极薄，实际应用中因其尖锐的边缘而造成使用上的困难，因此本发明将ABH圆盘形结构放置于圆柱形的保护盒中，解决了使用上的困难。

由于结构边缘截断厚度不为零，因此能量也会从边缘反射回来，通过在ABH圆盘形结构的边缘粘贴圆环形阻尼垫片，可以有效的降低边缘波能量的反射，将能量从ABH圆盘形结构边缘聚集的区域耗散。本发明利用圆盘状的ABH结构，使得结构边缘处能量聚集发生的范围最大化，并且将阻尼材料布置在能量聚集的边缘区域，通过合适的几何参数和材料参数设计，达到最高效率的能量耗散。

有效作用频率问题，本发明提出的声学黑洞振动吸收器，可作为一种振动吸收元件连接于板状结构上。一方面通过与结构的耦合，有效地将结构中的弯曲波能量转移到振动吸收器上，实现ABH效应对能量的聚集与耗散。另一方面，振动吸收器自身可以作为一个动力吸振元件，当吸收器元件自身固有特性与主结构的特性匹配时，可实现低频下的振动抑制。此外，该振动吸收元件还可以阵列排布在结构中，多个振动吸收器的相互作用，有望实现局部振子对结构中波的操纵。

综上所述，本发明提供的声学黑洞振动吸收器在振动被动控制应用领域具备可期的潜力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用具体个例对技术原理、实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是为了帮助理解本发明技术方法及核心思想，描述的实施例仅仅是本发明的个例，不是全部实施例。基于本发明实施例，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，都属于本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种声学黑洞振动吸收器，其特征在于，所述振动吸收器设置在被减振结构上，所述振动吸收器包括圆盘形结构，所述圆盘形结构的上、下表面的距离由所述圆盘形结构的中轴线向外边缘逐渐减小变化，所述圆盘结构包括黑洞区域，所述黑洞区域的上、下表面之间的距离从外边缘向中轴线方向呈分段函数形式变化。

2.根据权利要求1所述的一种声学黑洞振动吸收器，其特征在于，所述分段函数为：

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>h</mi> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>h</mi> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mi>&amp;epsiv;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mi>m</mi> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>

其中，x表示距外边缘的距离，h(x)表示距外边缘的距离为x处的黑洞区域的上下表面之间的距离，x₁表示最小厚度的延伸距离，h₁表示声学黑洞的剩余厚度。

3.根据权利要求1所述的一种声学黑洞振动吸收器，其特征在于，所述圆盘形结构还包括均匀区域，所述均匀区域设置于所述圆盘形结构的中轴线位置并位于所述黑洞区域的内侧，与所述黑洞区域相连通，所述均匀区域的上、下表面之间的距离不变。

4.根据权利要求3所述的一种声学黑洞振动吸收器，其特征在于，所述均匀区域的形状为以所述圆盘形结构的中轴线为中轴线的圆柱形结构，所述圆柱形结构的高度等于所述黑洞区域的上、下表面之间的最大距离。

5.根据权利要求1所述的一种声学黑洞振动吸收器，其特征在于，所述振动吸收器还包括圆环形阻尼垫片，所述圆环形阻尼垫片的外径与所述圆盘形结构的外径相同，所述圆环形阻尼垫片粘附于所述圆盘形结构上表面或下表面。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种声学黑洞振动吸收器，其特征在于，所述振动吸收器还包括保护盒，所述保护盒套设在所述圆盘形结构的外部。

7.根据权利要求6所述的一种声学黑洞振动吸收器，其特征在于，所述振动吸收器还包括两个连接螺杆，两个所述连接螺杆将所述圆盘形结构和所述保护盒固定连接，并将所述圆盘形结构和所述保护盒与所述被减振结构连接。