CN108133700A - 一种声学黑洞减振降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减振降噪装置，所述减振降噪装置包括上下表面的距离由中轴线向外边缘逐渐减小的圆盘形结构，所述圆盘形结构包括黑洞区域，所述黑洞区域的上下表面之间的距离从中轴线向外边缘方向呈幂指数形式变化，通过将所述圆盘形结构附加在被降噪结构上，对所述被降噪结构减振降噪，无需对被降噪结构的厚度进行削弱，避免了被降噪结构出现局部高动态响应以及结构强度的降低的局限性。

Description

一种声学黑洞减振降噪装置

技术领域

本发明涉及减振降噪领域，特别涉及一种声学黑洞减振降噪装置。

背景技术

空气、水等声介质中的噪声一方面源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的相互耦合作用(结构声)，另一方面是由于声场声波的相互作用(空气声)。因此控制声介质中的噪声要从以上两个方向进行，即对结构中的弹性波行为和空气中声波进行操控，从而对声空间实现减振降噪。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，吸声材料对弯曲波和声波进行衰减，但随着科技、社会的发展，人们对装备的舒适性、可靠性、安全性、耐久性的需求越来越高，例如民用飞机的低噪性、军用飞机的隐身性能等。因此，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。

目前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。

但是，传统的声学黑洞是依靠削弱被降噪结构厚度而达到目的，这样，厚度的减小会带来一个严重问题就是导致应力集中，造成被降噪结构强度的降低，无法在实际工程应用。

发明内容

本发明的目的是为了避免被降噪结构出现局部高动态响应以及结构强度的降低的局限性，提供一种声学黑洞减振降噪装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种声学黑洞减振降噪装置，所述减振降噪装置设置在被降噪结构上，所述减振降噪装置包括圆盘形结构，所述圆盘形结构的上、下表面之间的距离由从所述圆盘形结构的中轴线向外边缘逐渐减小变化，所述圆盘形结构包括黑洞区域，所述黑洞区域的上、下表面之间的距离从中轴线向外边缘方向呈幂指数形式变化。

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，并且等于所述黑洞区域的上、下表面之间的最大距离。

所述圆盘形结构还包括延伸区域，所述延伸区域设置于所述圆盘形结构的外边缘位置，并位于所述黑洞区域的外侧，与所述黑洞区域相连通，所述延伸区域的上下表面之间的距离不变，并且等于所述黑洞区域的上、下表面之间的最小距离。

所述圆盘形结构的下表面的中轴线位置设置有空腔，所述圆盘形结构的上表面上开设有与所述空腔连通的通孔，所述通孔和所述空腔形成声共振腔。

所述空腔为圆柱形空腔。

所述减振降噪装置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。

所述减振降噪装置还包括连接环，所述连接环设置于圆盘形结构的下表面，用于连接所述圆盘形结构与所述被降噪结构。

所述连接环的材料为吸振吸声材料。

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：

本发明公开了一种减振降噪装置，所述减振降噪装置包括上下表面的距离由中轴线向外边缘逐渐减小的圆盘形结构，所述圆盘形结构包括黑洞区域，所述黑洞区域的上下表面之间的距离从中轴线向外边缘方向呈幂指数形式变化，通过将所述圆盘形结构附加在被降噪结构上，利用ABH效应和动力吸振的特性，对所述被控结构进行宽带减振降噪，无需对被控结构的厚度进行削弱，避免被控结构出现局部高动态响应以及结构强度的降低。

同时通过在圆盘形结构上设置空腔和通孔，使空腔和通孔形成声共振腔，对低频声波进行有效控制，进而实现了全频带降噪，弥补利用传统声学黑洞进行减振降噪，低频难以实现的局限性。

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减振降噪装置的结构图；

图2为本发明提供的一种减振降噪装置在被降噪结构上的安装图；

图3为本发明提供的在方形封闭空间内的安装图；

图4为本发明提供的在非规则腔罩类封闭空间内的安装图；

图5为本发明提供的噪声波形在本发明提供的减振降噪装置中的传播示意图；

图6为本发明提供的减振降噪装置的排布方式图；

图7为附加本发明的减振降噪装置和附加均匀质量阻尼片的阻尼特性对比图；

图8为附加本发明的减振降噪装置和附加均匀质量阻尼片的振动特性对比图；

图9为附加本发明的减振降噪装置和附加均匀质量阻尼片的声学特性对比图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种声学黑洞减振降噪装置，以避免被降噪结构出现局部高动态响应以及结构强度的降低的局限性。

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减振降噪装置，所述减振降噪装置A1设置在被降噪结构A2上，所述减振降噪装置包括圆盘形结构，所述圆盘形结构的上、下表面之间的距离由从所述圆盘形结构的中轴线向外边缘逐渐减小变化，所述圆盘形结构包括黑洞区域2，所述黑洞区域2的上、下表面之间的距离从中轴线向外边缘方向呈幂指数形式h(x)＝εx^m(其中指数m大于等于2)变化。

所述圆盘形结构还包括均匀区域3，所述均匀区域3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2的内侧，与所述黑洞区域相连通，所述均匀区域3的上、下表面之间的距离不变，并且等于所述黑洞区域2的上、下表面之间的最大距离。

所述圆盘形结构A1还包括延伸区域1，所述延伸区域1设置于所述圆盘形结构的外边缘位置，并位于所述黑洞区域2的外侧，与所述黑洞区域2相连通，所述延伸区域1的上、下表面之间的距离不变，并且等于所述黑洞区域2的上、下表面之间的最小距离。

具体的，所述圆盘形结构是旋转对称结构，所以声学黑洞区域实际是半径为r_ABH的环状体，延伸区域1为半径为r₁的圆环。

所述圆盘形结构A1的下表面的中轴线位置设置有空腔6，所述圆盘形结构A1的上表面上开设有与所述空腔6连通的通孔7，所述通孔7和所述空腔6形成声共振腔。所述空腔6的体积和通孔7的大小根据被降噪结构的噪声的频率进行设计。

所述空腔6为圆柱形空腔。

所述减振降噪装置还包括圆环形阻尼垫片5，所述圆环形阻尼垫片5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5粘附于所述圆盘形结构的下表面；所述圆环形阻尼垫片5的厚度为延伸区域1的上、下表面之间距离的六倍。所述圆环形阻尼垫片的材料为阻尼材料，具体包括高聚物和聚合物。

所述减振降噪装置还包括连接环4，所述连接环设置于圆盘形结构的下表面，用于连接所述圆盘形结构与被降噪结构。

所述连接环4的材料为吸振吸声材料，具体为纤维、橡胶等。

一方面，对于典型的封闭空间(如空腔、飞行器机舱室等)，如图3和图4所示,被降噪结构A2的波动能量可以通过连接环4转移于声学黑洞减振降噪装置A1。本发明声学黑洞减振降噪装置是基于固体介质中的传播的弯曲波随着结构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，如图5所示，在声学黑洞减振降噪装置的均匀区域，一定频率的波传播速度不变，波长也不会改变。在声学黑洞区域，波的传播速度随着厚度的幂指数减小而减小，波长减小，振动幅度增加。通过结合圆环形阻尼垫片消耗大部分弯曲波能量，从而实现高效率能量吸收或减振降噪的目的。本发明的声学黑洞减振降噪装置采用的声学结构是外延式的，结构薄弱波速大小的地方发生在结构的最外端，而外端受结构约束小，变形更容易，声学黑洞效应更容易发生。另一方面对于低频波动能量，典型的封闭空间(空腔、飞行器机舱室)的被降噪结构A2低频往往模态密度非常小，振动辐射噪声主要分布在少数的几个离散频率处，单个声学黑洞减振降噪装置结合了赫姆霍兹共振消声器的特性，多个声学黑洞减振降噪装置同时使用时可以通过优化设计，进而同时可实现多个频率的降噪。因此基于以上两个机理的设计可实现全频带降噪。

本发明的声学黑洞减振降噪装置在使用过程中可以针对弹性结构不同的振动特性有不同的排布方式，如图6所列举的形式，包括a矩阵排列，b品字排列，c自由排列，往往排布合理可以进一步提高降噪效率。

以下是一个实施例，通过仿真的手段验证了声学黑洞减振降噪装置的有效性。

实施例：

1、计算模型

选取以边长为200mm、长度为0.6m的方型管道，作为被降噪结构，所述方型管道的两端面模拟无反射条件，在管道弹性壁内表面轴向等间隔附加3个声学黑洞减振降噪装置，直径120mm，厚度为20mm，边缘厚度为0.2mm，同样选用铝材设计。声学黑洞减振降噪装置上的圆环形阻尼垫片选用1.2mm等厚度的丁基橡胶环形布置，声学黑洞减振降噪装置为原始弹性壁结构质量的8％。同时为了做对比研究，弹性壁内表面附加与声学黑洞减振降噪装置等维度等质量的均匀质量-阻尼片。

将结构采用FEM方法在Abaqus中建动力学模型，然后在Virtual.lab中计算阻尼及其振动特性，然后基于振动响应建立BEM计算声学特性。

2、计算结果分析

1)阻尼特性分析

如图7所示，本发明的声学黑洞减振降噪装置最大的特性是可以大幅度的提高结构的固有阻尼，管道弹性边界附加附加式空腔型声学黑洞减振降噪结构后，其系统的阻尼相比在结构上附加等量质量-阻尼片有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。总体而言，附加ABH结构可以很大程度提升板的阻尼特性，这对于弹性结构的振动抑制有着潜在好处，同时质量也不会显著增加。

2)振动噪声控制特性分析

对声学黑洞减振降噪装置和阻尼片结构(相同位置附加等大的均匀质量阻尼材料)的系统表面振动和声辐射功率进行计算，从而证明本发明的声学黑洞减振降噪装置在减振降噪的益处。

如图8所示，为了评估系统的整体振动水平，选取系统表面的均方速度作为指标研究，从图8中可以发现，整个宽频带内仅仅在100Hz、280Hz、1500Hz处ABH结构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，这主要是因为本发明的声学黑洞减振降噪装置可以有非常高的模态损失因子较用于对比的结构，可以很大程度的发挥其特性，吸收波动能量，降低振动水平。而上述三个效果较差的频率处需要适当的参数优化改善特性。此外由于两系统的质量相当，所以模态特性改变较小，这对于不影响管道的原有特性非常重要。

评估声学特性主要通过其辐射声功率仿真结果，如图9所示，整个频带声学黑洞减振降噪装置的声功率均有所降低5dB以上,而有的频带(1500-2500Hz)甚至达到35dB的降噪量，结果非常可观。而且有些频率由于局部模态阻尼效应，整个共振峰被削平，例如2750Hz处，当频率更高时，所有共振峰将变的非常平坦，可以有效抑制声辐射。对于低频例如700Hz，降噪主要归功于赫姆霍兹共振特性，此外考察整个宽带内弹性辐射声功率，声学黑洞减振降噪装置的为104.1dB而参考结构为112.0dB足足降低了8dB，这对于实际应用过程中改善声学特性非常有利。

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：

本发明的声学黑洞减振降噪装置是附加在被降噪结构上的，为附加式声学黑洞减振降噪结构，突破传统的声学黑洞依靠削弱被降噪结构厚度，出现高动态响应，以及降低被降噪结构的强度的局限性。而且其是基于固体介质中的传播的弯曲波随着结构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的结构。

本发明的声学黑洞减振降噪装置包括延伸区域，采用的声学结构是外延式，结构薄弱且振动幅度大的区域发生在结构的最外端，外端受结构约束小，所以变形更容易，声学黑洞效应也更容易发生。

本发明的声学黑洞减振降噪装置附加质量小，容易满足工程应用，同时具有效率高的特点。

本发明的声学黑洞减振降噪装置巧妙的结合声共振腔的特性，进行低频降噪，扩宽了传统声学黑洞的局限性。本发明的声共振腔，可根据被降噪装置的噪声频率进行参数设计，同时多个声学黑洞减振降噪装置设置于同一被降噪装置上可产生声子晶体的特性，可进一步改善低频特性，利用ABH效应和动力吸振的特性，实现宽带振动控制的效果。

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 (8)

1.一种声学黑洞减振降噪装置，其特征在于，所述减振降噪装置设置在被降噪结构上，所述减振降噪装置包括圆盘形结构，所述圆盘形结构的上、下表面之间的距离从所述圆盘形结构的中轴线向外边缘逐渐减小变化，所述圆盘形结构包括黑洞区域，所述黑洞区域的上、下表面之间的距离从中轴线向外边缘方向呈幂指数形式变化。

2.根据权利要求1所述的一种声学黑洞减振降噪装置，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，并且等于所述黑洞区域的上、下表面之间的最大距离。

3.根据权利要求1所述的一种声学黑洞减振降噪装置，其特征在于，所述圆盘形结构还包括延伸区域，所述延伸区域设置于所述圆盘形结构的外边缘位置，并位于所述黑洞区域的外侧，与所述黑洞区域相连通，所述延伸区域的上下表面之间的距离不变，并且等于所述黑洞区域的上、下表面之间的最小距离。

4.根据权利要求1所述的一种声学黑洞减振降噪装置，其特征在于，所述圆盘形结构的下表面的中轴线位置设置有空腔，所述圆盘形结构的上表面上开设有与所述空腔连通的通孔，所述通孔和所述空腔形成声共振腔。

5.根据权利要求4所述的一种声学黑洞减振降噪装置，其特征在于，所述空腔为圆柱形空腔。

6.根据权利要求1所述的一种声学黑洞减振降噪装置，其特征在于，所述减振降噪装置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。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种声学黑洞减振降噪装置，其特征在于，所述减振降噪装置还包括连接环，所述连接环设置于圆盘形结构的下表面，用于连接所述圆盘形结构与所述被降噪结构。

8.根据权利要求7所述的一种声学黑洞减振降噪装置，其特征在于，所述连接环的材料为吸振吸声材料。