CN111862921A - 一种附加式偏心声学黑洞减振结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种附加式偏心声学黑洞减振结构，在减振结构的均匀区域即圆柱体区域，一定频率的波传播速度和波长均不变。而在声学黑洞部分，波的传播速度随着厚度的减小而减小，波长减小，波的振动幅度增加，向厚度变小的区域聚集，到达截断处时由于减振结构具有声学黑洞延展部分即第一环形部分，弯曲波以小波速继续传播，结构薄弱的地方又发生在结构的最外端且外端变形更容易，声学黑洞效应更容易发生，实现高效率的宽带减振降噪。
Description
技术领域
本发明涉及减振降噪技术领域，特别是涉及一种附加式偏心声学黑洞减振结构。
背景技术
振动是结构中由于边界的多次反射产生的驻波，噪声是结构振动向空气中辐射的波动能量，因此，对结构中的波动行为进行操控是实现结构减振降噪的一种有效手段。如今较为常见的波的操控主要分为主动和被动这两种方法。主动方法一般都需要外部供能，并且设计系统十分繁琐，所以目前没有大规模推广。另外对于被动方法而言，最基本的形式是附加阻尼材料，有些粘弹性材料能有效地吸收振动能量。但是对于一些重大装备，为了减振需要在表面粘贴大量的阻尼材料，这样虽然能够达到减振降噪的效果但是不利于的结构的轻量化，不仅增加了经济成本，而且加入了过多附加质量。
声学黑洞(Acoustic Black Hole，ABH)效应概念的提出为实现人为操控弹性介质及结构中的弯曲波传播的研究掀起了崭新篇章。作为一种新型的被动控制方法，声学黑洞通过对结构自身形状的设计和优化来对波的传播进行控制，具有实现简单灵活、质量小的优点，在薄壁结构中具有强大的潜能和广阔的应用前景。目前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，当结构厚度按一定指数函数的形式减小时，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。
然而传统的声学黑洞结构通过对被控对象剪裁来实现减振降噪的目的，这样不可避免地降低了结构的刚度和强度，在一些关键结构设计中这样的设计是不适用的。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种附加式偏心声学黑洞减振结构，在声学黑洞部分，声学黑洞效应更容易发生，提高减振效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种附加式偏心声学黑洞减振结构，所述减振结构包括：偏心圆盘和偏心圆盘边缘延伸出的第一环形；
所述偏心圆盘包括圆柱体和包覆在所述圆柱体侧面的声学黑洞部分；
所述偏心圆盘的上端面为第一圆形，下端面为第二圆形，所述第一圆形所在平面和所述第二圆形所在平面平行，第一圆形圆心和第二圆形圆心的连线与所述第一圆形所在平面不垂直；
所述声学黑洞部分的厚度从所述圆柱体侧面向外以指数形式递减；所述声学黑洞部分的厚度为所述圆柱体轴方向上的厚度；
所述第一环形厚度等于所述声学黑洞部分的最小厚度。
可选地，所述指数的表达式为h(r)＝arm，其中，h(r)表示所述声学黑洞部分的厚度，r表示所述第一圆形上任一点到所述圆柱体上表面圆心的距离减去所述圆柱体的半径，a表示系数，m大于或等于2。
可选地，所述减振结构还包括：第二环形，所述第二环形为阻尼材料，所述第二环形粘附于所述偏心圆盘边缘的下方，所述第二环形的外径与所述第一环形的外径相同。
可选地，所述第二环形阻尼材料为丁基橡胶材料。
可选地，所述偏心圆盘和第一环形为铝材。
可选地，所述偏心圆盘的第一圆形直径为120mm，圆柱体的直径为30mm；
所述圆柱体的上端面的圆形与所述第一圆形构成第三环形；所述第三环形的最小宽度为30mm，最大宽度为60mm；所述声学黑洞部分的最大厚度为3mm，最小厚度为0.2mm；所述第一环形的宽度为6mm。
可选地，所述第二环形的外径为132mm，宽度为30mm，厚度为2mm。
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：
本发明公开了一种附加式偏心声学黑洞减振结构，在减振结构的均匀区域即圆柱体区域，一定频率的波传播速度和波长均不变。而在声学黑洞部分，波的传播速度随着厚度的减小而减小，波长减小，波的振动幅度增加，向厚度变小的区域聚集，到达截断处时由于减振结构具有声学黑洞延展部分即第一环形部分，弯曲波以小波速继续传播，结构薄弱的地方又发生在结构的最外端且外端变形更容易，声学黑洞效应更容易发生，实现高效率的宽带减振降噪。
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为本发明实施例一种附加式偏心声学黑洞减振结构的剖视图；
图2为本发明实施例一种附加式偏心声学黑洞减振结构的俯视图；
图3为本发明实施例弹性波在本发明提供的声学黑洞减振结构中的传播示意图；
图4为本发明实施例一种附加式偏心声学黑洞减振结构的立体图；
图5为本发明实施例均匀板与均匀板附加本发明的减振结构系统和附加对照组结构系统的阻尼特性对比图；
图6为本发明实施例均匀板与均匀板附加本发明的减振结构系统和附加对照组结构系统的振动特性对比图。
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。
本发明的目的是提供一种附加式偏心声学黑洞减振结构，实现单个装置控制被控对象的多个模态，提高减振效果。
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。
如图1-2所示，本发明公开了附加式偏心声学黑洞减振结构，所述减振结构A2包括：偏心圆盘和偏心圆盘边缘延伸出的第一环形3，减振结构A2设置在被控结构A1上。
所述偏心圆盘包括圆柱体1和包覆在所述圆柱体侧面的声学黑洞部分2；
所述偏心圆盘的上端面为第一圆形21，下端面为第二圆形22，所述第一圆形21所在平面和所述第二圆形22所在平面平行，第一圆形圆心和第二圆形圆心的连线与所述第一圆形21所在平面不垂直。
减振结构A2通过第二圆形22与被控结构A1上相连通。
圆柱体1的上端面的圆形与所述第一圆形21构成第三环形，第三环形的最小宽度为rABH1，最大宽度为rABH2；声学黑洞区域2的径向长度沿周向均匀变化，从最小径向长度rABH1沿偏心圆盘形结构的周向方向逐渐增大至最大径向长度rABH2。
所述声学黑洞部分2的厚度从所述圆柱体1侧面向外以指数形式递减；所述声学黑洞部分2的厚度为所述圆柱体1轴方向上的厚度。
所述指数的表达式为h(r)＝arm，其中，h(r)表示所述声学黑洞部分2的厚度，r表示所述第一圆形21上任一点到所述圆柱体1上表面圆心的距离减去所述圆柱体1的半径，a表示系数，m大于或等于2。
所述减振结构还包括：第二环形4，所述第二环形4为阻尼材料，所述第二环形4粘附于所述偏心圆盘边缘的下方，所述第二环形4的外径与所述第一环形3的外径相同。
所述第二环形4阻尼材料为丁基橡胶材料。
所述第一环形3厚度等于所述声学黑洞部分2的最小厚度。
所述偏心圆盘和第一环形3为铝材。
本发明的声学黑洞减振结构是基于固体介质中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3所示。被控结构A1上的波动能量可以通过连接部分中央圆柱体1转移到所述声学黑洞减振结构A2上。在减振结构A2的均匀区域即圆柱体1，一定频率的波传播速度和波长均不变。而在声学黑洞区域2，波的传播速度随着厚度的减小而减小，波长减小，波的振动幅度增加，向厚度变小的区域聚集，到达截断处时，由于本发明的声学黑洞减振结构具有声学黑洞延展部分3，弯曲波以小波速继续传播，结构薄弱的地方又发生在结构的最外端且外端变形更容易，声学黑洞效应更容易发生。另外通过结合圆环形阻尼材料4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。
图4为本发明的一种附加式偏心声学黑洞减振结构的立体图，如图4所示，选取长为300mm、宽为240mm、厚度为6mm的均匀板作为被控对象A1。以均匀板的中心为原点，将1个附加式偏心声学黑洞减振结构附加在均匀板的(-120，-90)mm处。所述减振结构包括偏心圆盘的第一圆形直径为120mm，其中央圆柱体1直径30mm，声学黑洞区域部分2最小径向长度rABH1＝30mm，最大径向长度rABH2＝60mm。偏心圆盘边缘延伸部分即第一环形3的宽度r3＝6mm。偏心圆盘的最大厚度为3mm，边缘最小厚度为0.2mm。均匀板与偏心圆盘和第一环形3均选用铝材。减振结构上还包括第二环形4，第二环形4为阻尼材料，外径为132mm，宽30mm，厚度为2mm，选用丁基橡胶材料布置，材料损失因子设置为0.1。同时为了对比研究，还设计了一个尺寸相同的完全对称声学黑洞圆盘形结构作为对照组。
圆环形阻尼材料的外径与第一环形的外径相同，厚度是根据实际中常见阻尼材料的厚度确定的2mm。粘贴宽度不超过黑洞区域(第二环形的宽度＜rABH1+r3)，并且在不增加过多的额外质量的情况下选择粘贴更多的阻尼材料。
将结构采用有限元方法在ABAQUS中建立模型，通过稳态动力学分析和模态叠加法计算结构的阻尼水平和振动响应。
计算结果分析
1)阻尼特性分析
如图5所示，本发明的声学黑洞减振结构可以大幅度提高结构的固有阻尼，其系统阻尼比在全频带有5-80倍的提升。与完全对称的对照组相比，结构的阻尼水平仍然可以有所增加，尤其是1000Hz-2500Hz区间内，其系统阻尼比相比对照组有5-14倍的提升，仅仅在3200Hz附近的三个模态处阻尼特性表现稍差。总体而言，附加式偏心声学黑洞减振结构可以很大程度上提升均匀板的阻尼特性，比完全对称结构更具有优越性，这对于弹性结构的振动抑制有着潜在的好处，同时不会对被控对象造成损伤。
2)振动控制特性分析
如图6所示，为了评估系统的振动水平，选取系统的原点响应作为指标研究。从图6中可以发现，附加了本发明的声学黑洞减振结构后，相比被控前的结构整个宽带范围内所有频率均有10-35dB的振动水平减小，这是因为本发明的声学黑洞减振结构由于声学黑洞效应和动力吸振效应，具有非常高的模态阻尼比，并且可以很大程度的发挥其特性，吸收被控结构上的波动能量，降低系统的振动水平。另外，相比于附加了完全对称的对照声学黑洞结构的均匀板系统，附加本发明的偏心声学黑洞结构后，除了在3096Hz、3309Hz、3476Hz三个频率的共振峰处的效果稍差以外，其余频率处均有2-22dB的振动减小。其改善的原因在于将附加式声学黑洞结构设计成偏心的形式在一定程度上破坏了之前圆盘型结构的完全对称性，使得附加的结构能够更容易的和被控对象发生强耦合，更好地将波动能量转移到附加结构上并消耗掉，充分发挥声学黑洞能量聚集效应的优势。
本发明的附加式偏心声学黑洞减振结构巧妙地结合了声学黑洞和动力吸振器的特性，避免了传统声学黑洞的局限性，并且破坏了圆盘型结构固有的完全对称性，可实现单个装置控制被控对象的多个模态，达到了高效的减振效果。本发明可根据被控对象的频率特性等进行参数设计，可进一步改善宽频特性。
本发明的附加式偏心声学黑洞减振结构附加质量小，容易满足工程应用，同时具有效率高的特点。
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 (7)
1.一种附加式偏心声学黑洞减振结构，其特征在于，所述减振结构包括：偏心圆盘和偏心圆盘边缘延伸出的第一环形(3)；
所述偏心圆盘包括圆柱体(1)和包覆在所述圆柱体侧面的声学黑洞部分(2)；
所述偏心圆盘的上端面为第一圆形(21)，下端面为第二圆形(22)，所述第一圆形(21)所在平面和所述第二圆形(22)所在平面平行，第一圆形圆心和第二圆形圆心的连线与所述第一圆形(21)所在平面不垂直；
所述声学黑洞部分(2)的厚度从所述圆柱体(1)侧面向外以指数形式递减；所述声学黑洞部分(2)的厚度为所述圆柱体(1)轴方向上的厚度；
所述第一环形(3)厚度等于所述声学黑洞部分(2)的最小厚度。
2.根据权利要求1所述的附加式偏心声学黑洞减振结构，其特征在于，所述指数的表达式为h(r)＝arm，其中，h(r)表示所述声学黑洞部分(2)的厚度，r表示所述第一圆形(21)上任一点到所述圆柱体(1)上表面圆心的距离减去所述圆柱体(1)的半径，a表示系数，m大于或等于2。
3.根据权利要求1所述的附加式偏心声学黑洞减振结构，其特征在于，所述减振结构还包括：第二环形(4)，所述第二环形(4)为阻尼材料，所述第二环形(4)粘附于所述偏心圆盘边缘的下方，所述第二环形(4)的外径与所述第一环形(3)的外径相同。
4.根据权利要求3所述的附加式偏心声学黑洞减振结构，其特征在于，所述第二环形(4)阻尼材料为丁基橡胶材料。
5.根据权利要求1所述的附加式偏心声学黑洞减振结构，其特征在于，所述偏心圆盘和第一环形(3)为铝材。
6.根据权利要求1所述的附加式偏心声学黑洞减振结构，其特征在于，所述偏心圆盘的第一圆形(21)直径为120mm，圆柱体(1)的直径为30mm；
所述圆柱体(1)的上端面的圆形与所述第一圆形(21)构成第三环形；所述第三环形的最小宽度为30mm，最大宽度为60mm；所述声学黑洞部分(2)的最大厚度为3mm，最小厚度为0.2mm；所述第一环形(3)的宽度为6mm。
7.根据权利要求6所述的附加式偏心声学黑洞减振结构，其特征在于，所述第二环形(4)的外径为132mm，宽度为30mm，厚度为2mm。
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