CN108648743B - 片状声学黑洞俘能器组装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种片状声学黑洞俘能器组装置，包括多块声学黑洞俘能器和一块俘能器组下底面封板，多块声学黑洞俘能器依次贴合连接；多块声学黑洞俘能器与俘能器组下底面封板紧固连接。本发明可调节参数多；具有较好减振效果，并适用于解决低频振动问题，覆盖频率范围广，克服了传统声学黑洞结构强度低、承载性能弱的缺点。减振应用中，可多个俘能器组装置平铺布置，且各不同结构尺寸参数声学黑洞俘能器可以任意组合。实现了在不破坏结构完整性、不降低结构强度安全性的基础上，进行指定频段振动的“吞噬、俘获”功能。本发明可实现低频、中频及高频振动的可设计控制。声学黑洞俘能器附加质量小，实现方法简单灵活，可以任意组合调节吸能效率。

Description

片状声学黑洞俘能器组装置

技术领域

本发明涉及振动与噪声控制、减振降噪装置，特别是涉及一种基于声学黑洞效应与局部共振原理的减振降噪装置。

背景技术

结构声学黑洞效应(ABH Effect)指梁、板壳内的厚度逐渐衰减至零时，结构内部弯曲波随厚度衰减，波数增多为无穷，波速逐渐减慢为零的现象。

典型的一维声学黑洞(Acoustic Black Hole，ABH)为截面厚度遵循幂函数h(x)＝εx^m衰减的楔型结构。其中h(x)为x处声学黑洞结构的厚度，ε为常数，幂指数m为正有理数。Mironov证明当结构的厚度变化满足幂函数曲线且指数大于2时，就能满足结构声学黑洞的基本要求，在理想条件下将结构内部传导至ABH区域的弯曲波实现零反射的全吸收。

Denis指出，声学黑洞效应无法覆盖全频段，但存在一个临界频率f₀，当振源振动的频率大于f₀时，黑洞效应明显。具体表现为模态损耗因子在临界频率附件剧烈增大，即声学黑洞的减振降噪效果理论上可以覆盖临界频率f₀以上的所以频段。受限于实际应用中的加工精度，实际的声学黑洞结构无法严格遵循幂函数的变化规律连续变化至零，因此往往在声学黑洞中心区域存在着一个截断厚度t₀。该截断厚度将造成了声学黑洞区域无法吸收全部的结构振动弯曲波，而会对入射波产生一定的反射，从而无法作为一个理想的陷波器。但可以通过在声学黑洞区域喷涂阻尼材料、附加压电材料或填充减振吸声材料来大幅降低反射系数。因此厚度离散变化的阶梯状声学黑洞在实际应用中是可行的。

结构声学黑洞通过单一控制厚度变化来达到吸收结构弯曲波的目的，结构简单、加工方便、频率覆盖范围广，对振动能量控制、结构减振降噪等有极大的潜在应用价值。

开发高效轻质的振动与噪声控制装置是机械设备噪声及振动舒适性设计研究的前沿课题。传统的减振装置主要有多层浮筏隔振系统(包括单层)、方钢压载质量点阵列、声学黑洞减振降噪结构等。由于多层浮筏隔振系统简单有效，因此在工程上应用广泛，但它有明显缺点：

(1)当机器的扰动频率较低时，隔振器刚度必须设计得很小，系统稳定性差；

(2)设备非刚性、隔振器的高频驻波效应和基础非刚性的综合结果使得传递率曲线在高频时向上翘，并且出现很多共振峰，从而降低了高频区的隔振效果。

(3)目前采用的设备弹性安装方式，多层浮筏隔振系统属于被动式减振，低频段会失效。对压载方钢(质量点)阵列，最大的缺陷在于需要在振动强烈的位置进行大质量压载，这必然会极大增加原先不必要的运载质量，与轻量化设计的原则背离。声学黑洞减振降噪结构能很好的汇聚结构振动弯曲波，对结构振动与噪声控制有较为理想的效果，且附加质量轻，满足轻量化设计需求。但理想化的声学黑洞结构对加工制造精度要求极高，加工制造成本大，并且会造成梁或板的局部厚度较低，破坏结构的强度和承载性能。

经检索，发现如下相关中国专利文献。

专利文献A：新型船舶浮筏隔振装置，申请号CN201720269791.7，公开号CN206841695U。

专利文献A的不足之处是：整个浮筏装置质量大、包含零部件数目多，结构复杂，安装不便。整体占用体积较大，空间利用率不高。同时多层浮筏隔振系统属于被动式隔振，低频段往往会失效。

专利文献B：双层板声学黑洞减振降噪结构，申请号CN201610343734.9，公开号CN106023978A。

专利文献C：非完美声学黑洞截面构造，申请号CN201610345383.5，公开号CN106023974A。

专利文献B、C的不足之处是：

1)B中声学黑洞区域的厚度需满足幂函数连续衰减至0，这在实际工程加工中，受限于加工精度，事实上是无法实现的。

2)声学黑洞区域的中心厚度趋于0，将极大地削弱梁、板的整体强度，对梁、板的承载性能造成巨大的负面影响，导致包含该声学黑洞装置的结构无法满足实际工程应用对梁或板架的基本强度要求。

本发明与专利文献A、专利文献B和专利文献C相结合后的方案相比，利用声学黑洞的能量汇聚原理，结构简单安装方便，体积小、质量轻且覆盖频率范围可调，能满足较低频段的减振降噪需求。另外充分考虑了实际加工中的加工精度问题，将声学黑洞俘能器结构设计为厚度呈阶梯函数状离散变化的阶梯声学黑洞，克服了实际加工中无法将厚度严格遵循幂函数衰减至零的困难。并能通过调整声学黑洞的各项结构参数来改变固有频率，以适应实际的减振需求。此外，本发明将声学黑洞俘能器作为附加结构，在不破坏原梁、板架结构的强度和承载性能的条件下利用黑洞效应的聚集弯曲波原理与局域共振原理，实现安全稳定的振动与噪声控制，充分保证使用的安全性和可靠性。本发明适用于需要考虑减振降噪指标的所有工程领域，应用面广泛。

本发明的技术难点在于：

难点1：技术难点集中于加工制造方面，特别是阶梯声学黑洞中心极薄区域的加工制造。

具体难在：阶梯声学黑洞俘能器伴随着阶梯状的较多不同厚度的区域，不同区域间的连接若采用普通焊接，例如焊枪焊接，无法保证结构的焊接质量，容易出现脱焊情况。另外，焊接处会对振动弯曲波的传递造成一定的影响，破坏或削弱黑洞效应，造成声学黑洞俘能器对能量的汇聚能力下降。

本发明解决该难点所采用的制造方法是：本发明采用整体铸造或者是3D打印的方式来制造单块的阶梯声学黑洞俘能器。

难点2：技术难点集中于如何设计合适的片状声学黑洞俘能器，使其固有频率在某给定频段内足够密集。

具体难在：实际应用中，往往需要对某频段进行集中的减振降噪，声学黑洞俘能器主要通过黑洞效应汇聚弯曲波、局域共振耗散振动能量。因此其固有频率越密集的频段减振降噪效果也越好。但声学黑洞俘能器的固有频率依赖于幂指数m、边缘厚度t、黑洞区域半径尺寸r_ABH以及各阶梯步长，可调参数众多，很难确定合理组合。

本发明解决该难点所采用的制造方法是：在实际应用前，针对具体实际问题进行前期理论推理设计，权衡加工难易程度、急切需要减振的频段范围、总体设计质量大小，最优化设置声学黑洞俘能器组的幂指数m、边缘厚度t、黑洞区域半径尺寸r_ABH以及各阶梯步长等黑洞参数，给出最佳的声学黑洞俘能器组理论设计方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种声学黑洞俘能器组装置，利用结构声学黑洞效应和局域共振原理汇聚结构振动弯曲波，降低声学黑洞覆盖范围的几何外结构的振动与噪声，解决目前振动与噪声控制装置调节参数少，装置体积大、质量大，且低频减振性能差的问题。

本发明采用如下技术方案：一种片状声学黑洞俘能器组装置，包括多块声学黑洞俘能器1和至少一块俘能器组下底面封板2，其中：所述多块声学黑洞俘能器1依次贴合连接；所述多块声学黑洞俘能器1与俘能器组下底面封板2紧固连接。

优选地，所述多块声学黑洞俘能器1通过焊接、铆接或螺栓连接固定方式依次连接；

所述俘能器组下底面封板2能够通过焊接、铆接或螺栓连接的方式连接地板。

优选地，所述声学黑洞俘能器1上设置有黑洞区域，所述黑洞区域包括多个阶梯，所述多个阶梯的厚度呈现离散阶梯状变化，所述多个阶梯的厚度变化遵循幂函数h(x)＝εx^m,m≥2，其中：h(x)表示距离声学黑洞俘能器1中心为x时的黑洞区域的厚度；幂指数m为正实数；

，其中：t为声学黑洞俘能器1的边缘厚度；r_ABH表示黑洞区域半径尺寸。所述声学黑洞俘能器1的各阶梯步长、黑洞区域尺寸以及边缘厚度可根据实际需要作适当调整。

优选地，所述黑洞区域自声学黑洞俘能器1中心向外第n个阶梯的厚度由所述阶梯距离黑洞区域几何中心点最远点与黑洞区域几何中心点的垂向投影坐标之差r_n对应的幂函数值h(r_n)确定。

优选地，所述多块声学黑洞俘能器1采用真空钎焊方式与俘能器组下底面封板2连接。

优选地，声学黑洞俘能器1中心位置设置连续薄片或小孔。

优选地，所述声学黑洞俘能器1采用高质量密度的金属材料或阻尼合金；所述黑洞区域表面喷涂有阻尼、附加压电材料或填充减振吸声材料。

优选地，声学黑洞俘能器1与俘能器组下底面封板2的加工形状包括梁型、圆板型或者用于适应其它不规则表面的弧形。

优选地，黑洞区域的不同阶梯采用不同质量密度的材料加工制造。

优选地，声学黑洞俘能器1采用整体铸造的方式加工制造。

优选地，在具体应用中，可以灵活选择不同规格的单片声学黑洞俘能器来组成俘能器组，充分发挥局域共振的效果，以适应复杂工况的减振降噪需要。

优选地，在具体应用中，在制造单片声学黑洞俘能器的各不同厚度阶梯时，可以选取不同质量密度的材料来加工制造，充分发挥局域共振的效果，以适应复杂工况的减振降噪需要。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用声学黑洞的能量汇聚原理，结构简单，加工制造经济方便，体积小、质量轻、安装容易。实现了在不破坏船体结构完整性、不降低船体结构强度安全性的基础上，进行指定频段振动的“吞噬、俘获”功能。可实现低频、中频及高频振动的可设计控制。附加质量小，实现方法简单灵活，可以任意组合调节吸能效率。

2、本发明将声学黑洞俘能器结构设计为厚度呈阶梯函数状离散变化的阶梯声学黑洞，克服了实际加工中无法将厚度严格遵循幂函数衰减至零的困难。

3、本发明将声学黑洞俘能器作为附加结构，在不破坏原梁、板架结构的强度和承载性能的条件下利用黑洞效应的聚集弯曲波原理与局域共振原理，实现安全稳定的振动与噪声控制，充分保证使用的安全性和可靠性。

4、本发明可调节参数广，包括声学黑洞俘能器材料、厚度变化、函数的幂指数m、黑洞区域边缘厚度t、黑洞区域半径尺寸r_ABH以及各阶梯步长。能在权衡加工难易程度、急切需要减振的频段范围、总体设计中允许的最大附加质量等条件后，最优化设置声学黑洞俘能器组，能通过调整各阶梯的步长来改变固有频率，以适应实际的减振需求。

5、本发明可以根据实际需求灵活选择多片不同结构参数的声学黑洞俘能器来构成俘能器组，充分发挥局域共振的效果，以适应复杂工况的减振降噪需要，适应性、实用性强。

6、本发明可在黑洞区域喷涂阻尼、附加压电材料或填充减振吸声材料，快速高效地耗散或转化吸收结构振动的机械能。

7、本发明应用面广泛，能加工为梁型、圆板型以及用于适应其它不规则表面的弧形声学黑洞俘能器，以满足梁、板和不规则弧形外壳上的各类减振降噪设计需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的单片黑洞俘能器黑洞区域不同阶梯的厚度变化示意图；

图2为本发明提供的应用于梁上的片状声学黑洞俘能器组装置的结构示意图；

图3为本发明提供的应用于梁上的片状声学黑洞俘能器组装置的正视图；

图4为本发明提供的应用于板上的片状声学黑洞俘能器组装置的结构示意图；

图5为本发明提供的应用于板上的片状声学黑洞俘能器组装置的结构剖面示意图；

图6为本发明提供的应用于圆柱面上的片状声学黑洞俘能器组装置的结构示意图；

图7为本发明提供的应用于圆柱面上的片状声学黑洞俘能器组装置的结构剖面示意图。

图中：

1-声学黑洞俘能器；

2-俘能器组下底面封板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种片状声学黑洞俘能器组装置，包括多块声学黑洞俘能器1和一块俘能器组下底面封板2，其中：所述多块声学黑洞俘能器1依次贴合连接；所述多块声学黑洞俘能器1与俘能器组下底面封板2紧固连接。声学黑洞俘能器1与俘能器组下底面封板2的加工形状包括梁型、圆板型或者弧形，以下从这三个优选实施例进一步阐述。

【第一实施例】

如图2、图3所示为本发明片状声学黑洞俘能器组的第一实施例，本发明提供一种梁上附加使用的片状声学黑洞俘能器组装置，包括八块声学黑洞俘能器1和俘能器组下底面封板2。上方八块声学黑洞俘能器1依次贴合连接；最下方的一片声学黑洞俘能器贴合连接俘能器组下底面封板2；八块声学黑洞俘能器1与俘能器组下底面封板2焊接连接构成整体的声学黑洞俘能器组；俘能器组下底面封板2为一块均匀平整的矩形板，能够通过螺栓连接梁结构。

如图1所示，单片声学黑洞俘能器的厚度呈现离散的阶梯状变化。黑洞区域厚度变化规律遵循幂函数h(x)＝εx^m,m≥2，其中ε、m为正有理数，ε由声学黑洞俘能器的边缘厚度t、黑洞区域半径尺寸r_ABH以及幂指数m唯一确定：

声学黑洞俘能器的厚度呈现离散的阶梯状变化，第n层阶梯厚度由该层阶梯距离声学黑洞几何中心点最远点与几何中心点的垂向投影坐标之差r_n对应的幂函数值h(r_n)确定。声学黑洞的中心位置预留一小孔，使声学黑洞区域振动所受限制更小。

声学黑洞俘能器选取质量密度较大的金属材料，如铜、铅，使其产生局域共振来吸收尽可能多的机械能。在黑洞区域喷涂阻尼，降低由离散厚度变化引发的弯曲波反射率，增强黑洞效应，同时有效快速耗散被汇聚于声学黑洞内部的结构振动机械能。

本领域技术人员可以将第二实施例、第三实施例连接为第一实施例的变化例、优选例。

【第二实施例】

如图4、图5所示为本发明片状声学黑洞俘能器组的第二实施例，本发明提供一种板架上附加使用的片状声学黑洞俘能器组装置，包括八块声学黑洞俘能器1和俘能器组下底面封板2。上方八块声学黑洞俘能器1依次贴合连接；最下方的一片声学黑洞俘能器贴合连接俘能器组下底面封板2；八块声学黑洞俘能器1与俘能器组下底面封板2焊接连接构成整体的声学黑洞俘能器组；俘能器组下底面封板2为一块均匀平整的矩形板，能够通过螺栓连接地板。

如图1所示，单片声学黑洞俘能器的厚度呈现离散的阶梯状变化，由图1所示的一维声学黑洞结构以黑洞垂向中心轴为旋转轴旋转而成的，由厚度离散变化的环形圆板组成的二维x-o-y平面内各项同性声学黑洞板。黑洞区域厚度变化规律遵循幂函数h(x)＝εx^m,m≥2，其中ε、m为正有理数，ε由声学黑洞俘能器的边缘厚度t、尺寸r_ABH以及幂指数m唯一确定：

声学黑洞俘能器的厚度呈现离散的阶梯状变化，第n层阶梯厚度由该层阶梯距离声学黑洞几何中心点最远点与几何中心点的垂向投影坐标之差r_n对应的幂函数值h(r_n)确定。声学黑洞的中心位置预留一小孔，使声学黑洞区域振动所受限制更小。

声学黑洞俘能器选取质量密度较大的金属材料，如铜、铅，使其产生局域共振来吸收尽可能多的机械能。在黑洞区域喷涂阻尼，降低由离散厚度变化引发的弯曲波反射率，增强黑洞效应，同时有效快速耗散被汇聚于声学黑洞内部的结构振动机械能。

【第三实施例】

如图6、图7所示为本发明片状声学黑洞俘能器组的第三实施例，本发明提供一种圆柱形外表面(例如潜艇外表面)上附加使用的片状声学黑洞俘能器组装置，包括八块声学黑洞俘能器1和俘能器组下底面封板2。上方八块声学黑洞俘能器1依次贴合连接；最下方的一片声学黑洞俘能器贴合连接俘能器组下底面封板2；八块声学黑洞俘能器1与俘能器组下底面封板2焊接连接构成整体的声学黑洞俘能器组；俘能器组下底面封板2为一块均匀的圆柱面型板，能够通过螺栓平整贴合连接圆柱形外表面。

如图1所示，单片声学黑洞俘能器的厚度呈现离散的阶梯状变化，为由图1所示的一维声学黑洞结构以黑洞垂向中心轴旋转而成的，由厚度离散变化的环形圆板组成的二维x-o-y平面内各项同性声学黑洞板。黑洞区域厚度变化规律遵循幂函数h(x)＝εx^m,m≥2，其中ε、m为正实数，ε由声学黑洞俘能器的边缘厚度t、尺寸r_ABH以及幂指数m唯一确定：

声学黑洞俘能器的厚度呈现离散的阶梯状变化，第n层阶梯厚度由该层阶梯距离声学黑洞几何中心点最远点与几何中心点的垂向投影坐标之差r_n对应的幂函数值h(r_n)确定。声学黑洞的中心位置预留一小孔，使声学黑洞区域振动所受限制更小。

声学黑洞俘能器选取质量密度较大的金属材料，如铜、铅，使其产生局域共振来吸收尽可能多的机械能。在黑洞区域喷涂阻尼，降低由离散厚度变化引发的弯曲波反射率，增强黑洞效应，同时有效快速耗散被汇聚于声学黑洞内部的结构振动机械能。

综上所述，本发明基于声学黑洞效应与局域共振原理，发明了结构振动控制的减振装置—声学黑洞俘能器组。实现了在不破坏结构完整性、不降低结构强度安全性的基础上，进行指定频段振动的“吞噬、俘获”功能。声学黑洞俘能器组可实现低频、中频及高频振动的可设计控制，附加质量小，实现方法简单灵活，可以任意组合调节吸能效率。尤其对在车辆、航空航天器、船舶及动力设备的减振方面有巨大的潜在应用价值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，包括多块声学黑洞俘能器(1)和至少一块俘能器组下底面封板(2)，其中：所述多块声学黑洞俘能器(1)依次贴合连接；所述多块声学黑洞俘能器(1)与俘能器组下底面封板(2)紧固连接；

所述声学黑洞俘能器(1)上设置有黑洞区域，所述黑洞区域包括多个阶梯，所述多个阶梯的厚度呈现离散阶梯状变化，所述多个阶梯的厚度变化遵循幂函数h(x)＝εx^m,m≥2，其中：h(x)表示距声学黑洞俘能器(1)中心水平距离为x时的黑洞区域的厚度；幂指数m为正有理数；

其中：t为声学黑洞俘能器(1)的边缘厚度；r_ABH表示黑洞区域半径尺寸，所述声学黑洞俘能器(1)的各阶梯步长、黑洞区域尺寸以及边缘厚度可根据实际需要作适当调整。

2.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，所述多块声学黑洞俘能器(1)通过铆接、焊接或螺栓连接固定方式依次连接；所述俘能器组下底面封板(2)能够通过铆接、焊接或螺栓连接的方式连接地板。

3.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，所述黑洞区域自声学黑洞俘能器(1)中心向外第n个阶梯的厚度由所述阶梯距离黑洞区域几何中心点最远点与黑洞区域几何中心点的垂向投影坐标之差r_n对应的幂函数值h(r_n)确定。

4.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，所述多块声学黑洞俘能器(1)采用真空钎焊方式与俘能器组下底面封板(2)连接。

5.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，声学黑洞俘能器(1)中心位置设置有薄圆片或小孔。

6.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，所述声学黑洞俘能器(1)采用高质量密度的金属材料或阻尼合金；所述黑洞区域表面喷涂有阻尼、附加压电材料或填充减振吸声材料。

7.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，声学黑洞俘能器(1)与俘能器组下底面封板(2)的加工形状包括梁型、圆板型或者弧形。

8.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，黑洞区域的不同阶梯采用不同质量密度的材料加工制造。

9.根据权利要求1所述的片状声学黑洞俘能器组装置，其特征在于，声学黑洞俘能器(1)采用整体铸造的方式加工制造。

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