CN108717850B

CN108717850B - 一种双层板腔减振降噪结构

Info

Publication number: CN108717850B
Application number: CN201810396907.2A
Authority: CN
Inventors: 季宏丽; 裘进浩; 王小东; 葛洪峰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-04-28
Filing date: 2018-04-28
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2038-04-28
Also published as: CN108717850A

Abstract

本发明公开一种双层板腔减振降噪结构，包括：隔离板和吸收板，所述隔离板和所述吸收板通过刚性连接件连接，所述隔离板和所述吸收板形成一个空隙，所述吸收板的内表面向下凹陷，形成声学黑洞结构，所述吸收板的内表面为所述吸收板靠近所述隔离板的表面，所述刚性连接件与所述声学黑洞结构不接触，所述刚性连接件为一个实心柱体，所述刚性连接件的横截面的面积小于所述声学黑洞结构的横截面的面积。本发明既可以降低传统刚性连接双层板的振动(特别是吸收板和隔离板间的能量传递)和声辐射特性以提高隔声能力，又可避免声学黑洞结构单独使用时的强度刚度弱的问题。

Description

一种双层板腔减振降噪结构

技术领域

本发明涉及减振降噪领域，特别是涉及一种双层板腔减振降噪结构。

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。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层板腔减振降噪结构，既可以降低传统刚性连接双层板的振动(特别是吸收板和隔离板间的能量传递)和声辐射特性以提高隔声能力，又可避免声学黑洞结构单独使用时的强度刚度弱的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双层板腔减振降噪结构，包括：隔离板和吸收板，所述隔离板和所述吸收板通过刚性连接件连接，所述隔离板和所述吸收板形成一个空隙，所述吸收板的内表面向下凹陷，形成声学黑洞结构，所述吸收板的内表面为所述吸收板靠近所述隔离板的表面，所述刚性连接件与所述声学黑洞结构不接触，所述刚性连接件为一个实心柱体，所述刚性连接件的横截面的面积小于所述声学黑洞结构的横截面的面积。

可选的，所述声学黑洞结构的厚度从外端向内部以指数函数递减，所述声学黑洞结构的厚度为所述声学黑洞结构的上表面与下表面的距离，所述声学黑洞结构的上表面为凹陷表面，所述声学黑洞结构的下表面与所述吸收板的外表面在同一平面上，所述声学黑洞结构的最大厚度为所述吸收板的厚度。

可选的，所述声学黑洞结构中心设置有圆形板，所述圆形板与所述声学黑洞结构的凹陷表面光滑连接。

可选的，所述声学黑洞结构的凹陷表面设置有阻尼材料，所述阻尼材料的厚度为所述声学黑洞结构最小厚度的3-6倍。

可选的，所述圆形板的上表面设置有阻尼材料。

可选的，所述声学黑洞结构的横截面为圆形。

可选的，所述声学黑洞结构为多个。

可选的，所述刚性连接件为一个或者多个。

可选的，所述阻尼材料包括高聚物和/或聚合物。

可选的，所述空隙的厚度为所述吸收板厚度的10倍到15倍。

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：

1、本发明公开了一种双层板腔减振降噪结构，所述减振降噪结构包括双层板系统和声学黑洞，利用声学黑洞效应可以将能量转移在声学黑洞结构内部，供阻尼耗损，进而降低通过机械连接的振动能量传递率。同时通过声学黑洞效应将板的振动与空气腔的振动解耦，改善结构振动与空气腔的交互特性，降低能量通过空气层的传递。因此，本发明既可以大大降低传统刚性连接双层板的振动(特别是吸收板和隔离板间的能量传递)和声辐射特性以提高隔声能力，又可避免声学黑洞结构单独使用时的强度刚度弱的问题。

2、本发明的声学黑洞结构中心设置有圆形板，用来避免加工过程中吸收板上形成圆形穿孔，保证了结构外观的完整性同时保证结构的刚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种双层板减振降噪结构的实施例1的局部示意图；

图2为本发明的一种双层板减振降噪结构的实施例2的示意图；

图3为本发明的声学黑洞结构的详细图；

图4为本发明的声学黑洞结构内部弯曲波传播示意图；

图5为本发明的减振降噪装置的声学黑洞结构排布方式图；

图6为本发明的双层板减振降噪结构在方形封闭空间内的安装图；

图7为本发明的基于声学黑洞结构的双层板减振降噪结构和传统双层板结构的阻尼特性对比图；

图8为本发明的基于声学黑洞结构的双层板减振降噪结构和传统双层板结构中两板振动传递特性对比图；

图9为本发明的基于声学黑洞结构的双层板减振降噪结构和传统双层板结构中减振降噪装置安装于封闭空间时内部声学特性对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

目前，通过机械元件刚性连接的双层板结构在航空、航天、航海、汽车等工业中广泛被应用。从设计的角度，为了提高大尺寸板结构的强度与刚度，不可避免的会用刚性元件将两块板材连接。但是刚性元件的存在会使系统的高频动态特性变差，其中一块板在外界激励条件下，可以相对容易的将能量传递于内侧板，比如飞机在外表面受气动加载的作用，波动能量无阻碍的传递于内侧壁板，进而向客舱辐射噪声，而这是我们所不希望的。

声学黑洞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。此外声学黑洞具有质量小，频带宽，特性稳定的特性。

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声学黑洞，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。

综上，本发明一方面发挥双层刚性连接板腔系统强度刚度好的特性，另一方面利用声学黑洞效应优良的动态特性，特别是高频。将两者结合，取长补短，设计出具有良好声振特性与能满足工程条件使用的器件，应用潜质巨大。

本发明的目的是提供一种双层板腔减振降噪结构，既可以降低传统刚性连接双层板的振动(特别是吸收板和隔离板间的能量传递)和声辐射特性和提高隔声能力，又可避免声学黑洞结构单独使用时的强度刚度弱的问题。

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种双层板减振降噪结构的实施例1的局部示意图，图2为本发明的一种双层板减振降噪结构的实施例2的示意图，实施例1和实施例2的区别在于实施例1可以显示声学黑洞内部结构。

如图1和图2所示，本发明的双层板减振降噪结构A由隔离板A1和吸收板A2及刚性连接件A3结合而成，且隔离板A1和吸收板A2中间形成一个空隙5。其中隔离板A1为均匀板，吸收板A2包括均匀区域1以及与均匀区域1相连的声学黑洞结构2，其中均匀区域1上下表面之间的距离自右向左亦固定不变。吸收板A2的内表面向下凹陷，形成声学黑洞结构2，吸收板A2的内表面为吸收板A2靠近隔离板A1的表面，刚性连接件A3与声学黑洞结构2不接触，刚性连接件A3为一个实心柱体，刚性连接件A3的横截面的面积小于声学黑洞结构2的横截面的面积。可选的，空隙5的厚度为吸收板A2厚度的10倍到15倍。

声学黑洞结构2的厚度从外端向内部以指数函数递减，声学黑洞结构2的厚度为声学黑洞结构2的上表面与下表面的距离，声学黑洞结构2的上表面为凹陷表面，声学黑洞结构2的下表面与吸收板A2的外表面在同一平面上，声学黑洞结构2的最大厚度为吸收板A2的厚度。

图3为本发明的声学黑洞结构的详细图。如图3b所示，声学黑洞结构2的上下表面之间的距离自两端向中间以指数函数形式h(x)＝a(r-r₁)^m+h₁(指数不小于2)逐渐递减，且声学黑洞结构2最外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，其中，h₁为声学黑洞结构的最小高度，r₁为延伸区域3的半径，m为指数，a为常数，其中，图3a和图3b中的字母关系为：d＝2r_d，OD＝2r₁，ID＝2r₂，r₂为声学黑洞结构2的底面(圆形)半径，ABH为声学黑洞结构。

声学黑洞结构2中心设置有延伸区域3，延伸区域3的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。延伸区域3为半径为r₁的圆形板，这样避免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刚度。

声学黑洞结构2中填充有阻尼材料4，阻尼材料4粘贴于声学黑洞结构2的弯曲表面，且阻尼材料4的厚度为声学黑洞结构2最小厚度的3-6倍。其中阻尼材料包括高聚物和/或聚合物。

本发明双层板声学黑洞减振降噪结构中，声学黑洞结构2凹陷的一侧及阻尼置于隔离板A1和吸收板A2中间的空隙5，而吸收板A2的另一侧表面是平整的，即本发明的双层板减振降噪结构使用过程中外表面是平整的。

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。本发明基于声学黑洞结构的双层板结构是基于固体介质中的波操纵而实现，一方面吸收板A2中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，这样可以减小能量通过刚性连接件A3的传递，从而减小隔离板A1的振动。另外，声学黑洞结构2结合少量阻尼材料可实现高效率能量吸收的目的，其中阻尼材料消耗大部分弯曲波能量。另一方面声学黑洞结构2具有使得振动和声学解耦的特性，从而既使吸收板A2中声学黑洞结构内部有较大的振动响应，又能使其与空隙5的耦合是很小的，所以能量同样也很难通过空隙5中的空气夹层传递于隔离板A1。注意使用过程中含有声学黑洞结构2的吸收板A2作为加载面。

综上两个方面，可以显著降低隔离板A1的振动，从而在使用过程中隔离板A1就不能有效向空间辐射噪声。

本发明吸收板A2中声学黑洞结构2有不同排布方式，如图5所列举的三种不同声学黑洞结构2的排布形式，通过改变声学黑洞结构2的排布方式可进一步提高能量聚集与耗散效果。

根据本发明内容，本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明公开了一种基于声学黑洞结构的双层板腔减振降噪结构，所述减振降噪结构包括双层板系统和声学黑洞结构，利用声学黑洞效应能将能量转移在声学黑洞结构内部，供阻尼耗损，进而降低通过机械连接的振动能量传递率。同时通过声学黑洞效应将板的振动与空气腔的振动解耦，改善结构振动与空气腔的交互特性，降低能量通过空气层的传递。综上两个方面，本发明既可大大降低传统刚性连接双层板的振动和声辐射特性以提高特隔声能力，又可避免声学黑洞结构单独使用时的强度刚度弱的问题。

(2)本发明还能降低传统双层板结构的重量。

(3)本发明在双层板的一侧板面内部加工声学黑洞结构粘贴阻尼材料，保持了板面平整美观，避免平板以外的外部特征。

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：

1、计算模型

双层板在工程中广泛使用，例如汽车飞机舱室壁板，特点是作为封闭空间的边界承受载荷。这里用简化模型进行模拟，见图6。双层壁板的一层中嵌入二维声学黑洞(声学黑洞)结构，声学黑洞结构一侧朝向壁板内侧，并且将双层壁板作为一封闭封空间的一个弹性面。封闭空间的尺寸为400*480*360mm，双层板中含有声学黑洞结构的板A2厚度为4mm，另一板A1厚度为3mm，两板中心空气夹层厚度为30mm，两板通过20*20mm的刚性连接件连接。A2板对称的内嵌四个声学黑洞结构，声学黑洞结构直径为140mm，中心最薄为0.3mm，此外双层板结构选用铝材制作。声学黑洞结构内部的阻尼圆片选用2mm等厚度的丁基橡胶环形布置。同时为了做对比研究，设计等尺度和材料的传统双层板腔结构。注意含有声学黑洞的双层板结构较传统双层板质量减小8％。

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，本发明的基于声学黑洞的双层板减振降噪结构最大的特性是可以大幅度的提高结构的固有阻尼，相比传统双层板结构，其系统大部分模态阻尼(A2板的模态)有2-6倍的提升，如果模态集中于A1板，则对系统阻尼没有影响，因为声学黑洞结构在A2板上。总体而言，附加声学黑洞结构可以很大程度提升系统的阻尼特性，这对于整个系统的振动能量耗损有着潜在好处，同时还降低了系统质量。

2)两板振动传递特性分析

如图7中在双层板上施加力载荷(注意使用过程中含有声学黑洞结构的吸收板为加载板)，计算分析双层板减振降噪结构中A1与A2的振动传递率，从而证明本发明的声学黑洞减振降噪装置在减振方面的益处。

如图8所示，含有声学黑洞结构的双层板当频率超过1100Hz、A2和A1的振动传递率显著低于传统双层板(5-30dB)，这主要是因为本发明中声学黑洞结构使得能量聚集并且被阻尼高效的吸收，进而降低机械连接的能量传递。此外，低频时，仅仅680Hz和1000Hz振动传递率高于传统双层板，需要适当的参数优化改善特性。

3)声腔声学特性分析

针对图6的封闭声腔通过定义平均声压评估声学特性，如图9所示，本发明的结构在整个频带声压均低于传统双层板结构5dB以上(除了个别频率)。而有的频带(2700-3100Hz)甚至达到35dB的降噪量，结果非常可观。通过对频率积分，平均声压级也达到11dB的降低。

综上所述，基于声学黑洞的双层板腔减振降噪结构相比传统双层板腔结构具有很好的振动声学特性。在工程中很有应用前景。

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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种双层板腔减振降噪结构，其特征在于，包括：隔离板和吸收板，所述隔离板和所述吸收板通过刚性连接件连接，所述隔离板和所述吸收板形成一个空隙，所述吸收板的内表面向下凹陷，形成声学黑洞结构，所述吸收板的内表面为所述吸收板靠近所述隔离板的表面，所述刚性连接件与所述声学黑洞结构不接触，所述刚性连接件为一个实心柱体，所述刚性连接件的横截面的面积小于所述声学黑洞结构的横截面的面积；

所述声学黑洞结构的厚度从外端向内部以指数函数递减，所述声学黑洞结构的厚度为所述声学黑洞结构的上表面与下表面的距离，所述声学黑洞结构的上表面为凹陷表面，所述声学黑洞结构的下表面与所述吸收板的外表面在同一平面上，所述声学黑洞结构的最大厚度为所述吸收板的厚度；

所述声学黑洞结构中心设置有圆形板，所述圆形板与所述声学黑洞结构的凹陷表面光滑连接。

2.根据权利要求1所述的双层板腔减振降噪结构，其特征在于，所述声学黑洞结构的凹陷表面设置有阻尼材料，所述阻尼材料的厚度为所述声学黑洞结构最小厚度的3-6倍。

3.根据权利要求1所述的双层板腔减振降噪结构，其特征在于，所述圆形板的上表面设置有阻尼材料。

4.根据权利要求1所述的双层板腔减振降噪结构，其特征在于，所述声学黑洞结构的横截面为圆形。

5.根据权利要求1所述的双层板腔减振降噪结构，其特征在于，所述声学黑洞结构为多个。

6.根据权利要求1所述的双层板腔减振降噪结构，其特征在于，所述刚性连接件为一个或者多个。

7.根据权利要求2或3所述的双层板腔减振降噪结构，其特征在于，所述阻尼材料为高聚物。

8.根据权利要求1所述的双层板腔减振降噪结构，其特征在于，所述空隙的厚度为所述吸收板厚度的10倍到15倍。