CN114619726B - 一种基于声学黑洞的点阵夹芯板及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声学黑洞的新型点阵夹芯板及制备方法，所述点阵夹芯板由多个单胞结构沿X，Y方向阵列组成，所述单胞结构的上部设置有上面板，所述单胞结构的中部设置有与上面板相连接的周期点阵结构，所述单胞结构的下部设置有与周期点阵结构相连接的声学黑洞板，所述声学黑洞板的中部设置有黑洞区域，所述黑洞区域上粘贴有阻尼层，所述阻尼层粘贴设置在声学黑洞板与周期点阵结构相向的板面上。本发明的点阵夹芯板结构简单，承载能力强，利用声学黑洞结构的能量聚集效应，将能量聚集于声学黑洞的中心区域，通过在黑洞区域布置阻尼层，使得点阵结构能够实现对聚集声能的耗散，从而减小了点阵结构的振动，有效地提升了减振降噪的效果。

Description

一种基于声学黑洞的点阵夹芯板及制作方法
技术领域
本发明属于减振降噪的技术领域，具体涉及一种新型点阵结构，尤其涉及一种基于声学黑洞的新型点阵夹芯板及制作方法。
背景技术
点阵结构的材料是一种有序的多孔结构，密度远低于同材质的实体结构，具有良好的比刚度、抗弯性能和散热性能，在建筑、船舶、车辆和航天航空领域有很大的应用空间。当点阵结构遇到声波或弹性波时，会出现频率禁带，使得一些特定频段的声波或者弹性波无法传播，具有良好的减振和隔声的性能。传统点阵结构的承载能力虽强，但重量较重，且禁带特性大多集中在中高频，而对于中低频的减振和降噪效果欠佳。
目前已采用环氧树脂基等阻尼材料获得轻质隔振结构，虽减轻了结构的重量，但结构的承载能力得不到保障，从而影响设备的安全性。如中国专利授权公告号CN102909908A，公开日2013年02月26日，公开了一种金字塔点阵金属-环氧树脂基阻尼复合结构及其制备方法，文中提出“将金字塔点阵金属材料与环氧树脂基阻尼材料灌注复合获得轻质隔振材料”，此现有技术可以减轻结构的重量，但此现有技术的结构承载能力不佳，且金字塔结构与上面板之间的接触面只有一个，无法保证在设备长期运行后的安全性。
现阶段已有通过加固下面板和上面板来提高点阵结构的承载能力，但此种加固方式极易在长期振动的环境下产生声桥，从而降低了降噪性能。如中国专利授权公告号CN104129109A，公开日2014年11月05日，公开了一种整体加固的单向纤维增强复合材料点阵夹芯板及其制备方法，文中提出“由金字塔点阵芯子、加固上面板、加固下面 板、复合材料上面板和复合材料下面板组成”，此现有技术的加固上面板和加固下面板均带有十字形槽口且镂空的低密度铝合金或镁合金，而点阵芯子就嵌入在槽口内，虽然降低了点阵夹芯板的面密度及承载能力，但现有技术的铝合金刚度较低，若设备在长期振动环境下，槽口处极易出现松动，迫使加固面板和上面板之间产生声桥，从而降低了点阵结构的降噪性能。
综上所述，现阶段还未出现利用声学黑洞抑制中低频噪声的技术，声学黑洞的出现是为了减振降噪注入新的活力，声学黑洞结构为截面的厚度遵循幂指函数 的变厚度结构，主要通过弯曲波的波速在变厚度介质中的传播特性，实现弯曲波在局部区域聚集，在声学黑洞的区域布置阻尼材料，可以吸收声学黑洞中心区域的波动能量，从而实现减小结构的振动以达到减振降噪的效果。为此，需要这种新的技术方案来解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声学黑洞的新型点阵夹芯板，以解决上述背景技术中提出的现阶段点阵结构承载能力不高，中低频的减振及降噪效果欠佳的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于声学黑洞的新型点阵夹芯板，所述点阵夹芯板由多个单胞结构沿X，Y方向阵列组成，所述单胞结构的上部设置有上面板，所述单胞结构的中部设置有与上面板相连接的周期点阵结构，其特征在于，所述单胞结构的下部设置有与周期点阵结构相连接的声学黑洞板，所述声学黑洞板的中部设置有黑洞区域，所述黑洞区域上粘贴有阻尼层，所述阻尼层粘贴设置在声学黑洞板与周期点阵结构相向的板面上。
进一步的，所述上面板为钢板、玻璃板、木板、石膏板其中的任意一种，所述上面板的厚度为1mm～3mm，所述上面板与声学黑洞板由上至下水平设置，所述声学黑洞板和上面板均设置为长方形板体结构，所述声学黑洞板的厚度为上面板厚度的1倍，所述声学黑洞板的材质为钢、铝、树脂其中的任意一种。
进一步的，所述黑洞区域设置在声学黑洞板与上面板相向的一侧，所述黑洞区域的面积为上面板面积的0.3～0.5倍，所述黑洞区域是以声学黑洞板的中心为圆心，所述黑洞区域的截面厚度h(x)变化符合的函数形式，式中m≧2，h 0 为0.2～0.5mm，/>为最小截面值，x为声学黑洞的半径。
进一步的，所述周期点阵结构的宽度为单胞结构宽度的0.4～0.6倍，所述周期点阵结构的高度为上面板厚度的10～15倍，所述周期点阵结构由八根支撑杆组成，八根所述支撑杆设置均为圆柱形结构，八根所述支撑杆均采用金属钢材料制作，八根所述支撑杆的半径均设置为1mm～3mm，八根所述支撑杆的上端均与上面板的下表面固定连接，八根所述支撑杆的下端均与声学黑洞板的上表面固定连接。
进一步的，每两根所述支撑杆与声学黑洞板组成一个等腰三角形，所述等腰三角形顶角的角度为30º～90º，所述等腰三角形与点阵夹芯板的两条边界平行，所述等腰三角形与点阵夹芯板的另两条边界垂直，相邻的所述点阵夹芯板平行边界与等腰三角形的两腰之间的距离为单胞结构宽度的0.125～0.25倍，所述等腰三角形的四个顶角位于上面板X，Y方向的对称轴上。
进一步的，所述阻尼层的厚度为上面板厚度的0.5～1倍，所述阻尼层为丁基橡胶、沥青、环氧树脂其中的任意一种，所述阻尼层是以黑洞区域的中心为中心，所述阻尼层设置为圆形结构或者正方形结构，所述阻尼层的半径或边长设置为黑洞区域半径的1.2倍。
一种基于声学黑洞的新型点阵夹芯板的制作方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1、通过切割机切割出上面板和声学黑洞板，并将上面板和声学黑洞板裁成预设尺寸，按照尺寸将上面板和声学黑洞板分别划分成尺寸相等的小单元格，每个小单元格的面积为总面积的0.02～0.04倍；
S2、根据声学黑洞板的厚度计算黑洞区域的截面厚度h(x)，并以每个小单元格的中心为黑洞区域的圆心，采用3D打印或者数控铣床铣出黑洞区域；
S3、先根据黑洞区域的尺寸计算出阻尼层的平面面积，再将计算出的阻尼层以黑洞区域的中心为中心，通过粘合剂牢固粘贴于声学黑洞板朝向周期点阵结构的一侧；
S4、选定周期点阵结构的材料，并同时确定周期点阵结构的尺寸，利用SOLIDWORK软件建立单胞结构中周期点阵结构的模型并导入3D打印机中，采用3D打印技术打印出单个周期点阵结构的整体模型，并对整体模型进行抛光处理；
S5、将处理后的周期点阵结构的上下两端采用真空钎焊或者激光焊接分别与上面板的下表面和声学黑洞板的上表面固定连接，最终得到基于声学黑洞的新型点阵夹芯板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 本发明采用多个单胞结构沿X，Y方向阵列形成点阵夹芯板，在有效地降低点阵结构重量的，同时也能够大幅度地提升点阵结构的承载能力，再利用声学黑洞结构的能量聚集效应，将能量聚集于声学黑洞的中心区域，通过在黑洞区域布置阻尼层，使得点阵结构能够实现对聚集声能的耗散，从而减小了点阵结构的振动，有效地提升了减振降噪的效果。
2. 本发明通过声学黑洞板与周期点阵结构相结合的方式，能够使点阵结构振动带隙的频率范围得到有效扩大，从而使该周期点阵结构与单一的周期点阵结构相比，提升了在低频的降噪效果。
3. 本发明通过改变声学黑洞板、阻尼层、周期点阵结构的材料、尺寸、晶格常数等参数可以调节结构的隔声频段，具有十分广泛的应用范围及现实意义。
4. 本发明通过在典型金字塔点阵结构的基础上，增加了周期点阵结构的支撑杆数量以及增加了周期点阵结构与上面板的接触面，使得该点阵结构比典型金字塔结构更加牢固，大幅度地提升点阵结构的承载能力，保证了在设备长期运行后的安全性。
5. 本发明的点阵夹芯板均采用刚性材料制作，在提升点阵结构的承载能力的，同时保证了外观的平整度，有助于点阵结构的运输、存放和安装。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的单胞结构示意图；
图3为本发明的声学黑洞板截剖面结构示意图；
图4为本发明的单胞结构的带隙图；
图5为本发明的隔声量曲线图。
其中：1、上面板；2、周期点阵结构；3、阻尼层；4、声学黑洞板；401、黑洞区域；5、支撑杆。
实施方式
以下实施例用来进一步说明本发明的内容，并不限制本发明的应用。
请参阅图1-图3所示，一种基于声学黑洞的新型点阵夹芯板，由上面板1、周期点阵结构2、阻尼层3和声学黑洞板4构成。具体地：声学黑洞板4和上面板1均设置为长方形板体结构，且上面板1与声学黑洞板4由上至下水平设置，周期点阵结构2设置在上面板1的下表面和声学黑洞板4的上表面之间，即完成了单胞结构的设置；
周期点阵结构2由八根支撑杆5组成，八根支撑杆5的上端均与上面板1的下表面固定连接，八根支撑杆5的下端均与声学黑洞板4的上表面固定连接，且每两根支撑杆5与声学黑洞板4组成一个等腰三角形，等腰三角形顶角的角度为30º～90º，等腰三角形与点阵夹芯板的两条边界平行，等腰三角形与点阵夹芯板的另两条边界垂直，即完成了周期点阵结构2的设置；
在声学黑洞板4上设置有以声学黑洞板4的中心为圆心且用于实现能量聚集效应的黑洞区域401，且黑洞区域401设置在声学黑洞板4与上面板1相向的一侧，即完成黑洞区域401的设置；而阻尼层3则粘贴于声学黑洞板4与周期点阵结构2相向的板面上，用于耗散黑洞区域401聚集的声能。
为了更进一步验证声学黑洞的新型点阵夹芯板的在低频的减振及降噪效果，进行了如图1-图2所示的制作工艺及如图3-图5所示的计算方法，先确定点阵夹芯板的单胞结构的材料，即将上面板1、周期点阵结构2、声学黑洞板4均采用钢材料进行制作，其密度为，泊松比为/>，弹性模量为/>，而阻尼层3采用环氧树脂进行制作，其密度为/>，泊松比为/>，弹性模量为/>，再将单胞结构的上下板面的长度a、宽度b和厚度t分别设置为0.1m，0.1m，0.002m，而后将黑洞区域401以声学黑洞板4的中心为圆心，以mm为单位，以/>为截面曲线生成黑洞区域401，而后再将八根支撑杆5的半径r均为0.002m，并将每两根支撑杆5与声学黑洞板4组成一个顶角为60º的等腰三角形，然后将周期点阵结构2的芯体高度h设置为0.046m，且该等腰三角形的两腰与相邻最近的点阵夹芯板平行边界之间的距离设置为0.02m，该等腰三角形的四个顶角位于上面板1的x，y方向的对称轴上，使得整体结构由5*5的单胞结构沿x，y方向阵列而成，再然后将阻尼层3长度a1、宽度b1和厚度t1分别设置为0.06m，0.06m，0.001m；
再根据上述设定的几何尺寸和材料参数，先建立该点阵结构的数值仿真模型，仿真模型由PML层、入射声场、空腔、透射声场四个部分组成；而后将入射声场使用背景压力场作为声学激励，声场的幅值为1Pa，声波为垂直入射；再定义隔声量的计算，其中/>为透射系数，而后对几何模型进行网格划分，并进行求解，求解频率为10Hz～2000Hz，计算步长为30Hz，选用MUMPS直接求解。
由上述实验可以看出，一种基于声学黑洞的新型点阵夹芯板，其具有传统点阵结构高比强度的优良特性，还改善了典型金字塔点阵承载能力差的缺点，通过引入声学黑洞的能量聚集效应，使得点阵结构具有良好的振动带隙特性，可以在所需频段内阻止弹性波的传播，从而达到减振降噪的效果。由图5可以看出，该点阵结构在中低频段内具有非常良好的隔音效果。

Claims (9)

1.一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，所述点阵夹芯板由多个单胞结构沿X，Y方向阵列组成，所述单胞结构的上部设置有上面板，所述单胞结构的中部设置有与上面板相连接的周期点阵结构，其特征在于，所述单胞结构的下部设置有与周期点阵结构相连接的声学黑洞板，所述声学黑洞板的中部设置有黑洞区域，所述黑洞区域上粘贴有阻尼层，所述阻尼层粘贴设置在声学黑洞板与周期点阵结构相向的板面上，所述周期点阵结构由八根支撑杆组成，八根所述支撑杆的上端均与上面板的下表面固定连接，八根所述支撑杆的下端均与声学黑洞板的上表面固定连接，每两根所述支撑杆与声学黑洞板组成一个等腰三角形，所述等腰三角形顶角的角度为30o～90o，所述等腰三角形与点阵夹芯板的两条边界平行，所述等腰三角形与点阵夹芯板的另两条边界垂直，相邻的所述点阵夹芯板平行边界与等腰三角形的两腰之间的距离为单胞结构宽度的0.125～0.25倍，所述等腰三角形的四个顶角位于上面板X，Y方向的对称轴上。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，其特征在于，所述上面板与声学黑洞板由上至下水平设置，所述声学黑洞板和上面板均设置为长方形板体结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，其特征在于，所述上面板为钢板、玻璃板、木板、石膏板其中的任意一种，所述上面板的厚度为1mm～3mm。
4.根据权利要求2所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，其特征在于，所述声学黑洞板的材质为钢、铝、树脂其中的任意一种，所述声学黑洞板的厚度为上面板厚度的1倍。
5.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，其特征在于，所述黑洞区域设置在声学黑洞板与上面板相向的一侧，所述黑洞区域是以声学黑洞板的中心为圆心，所述黑洞区域的截面厚度h(x)变化符合的函数形式，式中m≧2，h 0 为0.2～0.5mm，/>为最小截面值，x为声学黑洞的半径，所述黑洞区域的面积为上面板面积的0.3～0.5倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，其特征在于，八根所述支撑杆设置均为圆柱形结构，八根所述支撑杆均采用金属钢材料制作，八根所述支撑杆的半径均设置为1mm～3mm。
7.根据权利要求6所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，其特征在于，所述周期点阵结构的宽度为单胞结构宽度的0.4～0.6倍，所述周期点阵结构的高度为上面板厚度的10～15倍。
8.根据权利要求1所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板，其特征在于，所述阻尼层为丁基橡胶、沥青、环氧树脂其中的任意一种，所述阻尼层的厚度为上面板厚度的0.5～1倍，所述阻尼层设置为圆形结构或正方形结构，所述阻尼层是以黑洞区域的中心为中心，所述阻尼层的半径或边长设置为黑洞区域半径的1.2倍。
9.如权利要求1～8任意一项所述的一种基于声学黑洞的点阵夹芯板的制作方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1、通过切割机切割出上面板和声学黑洞板，并将上面板和声学黑洞板裁成预设尺寸，按照尺寸将上面板和声学黑洞板分别划分成尺寸相等的小单元格，每个小单元格的面积为总面积的0.02～0.04倍；
S2、根据声学黑洞板的厚度计算黑洞区域的截面厚度h(x)，并以每个小单元格的中心为黑洞区域的圆心，采用3D打印或者数控铣床铣出黑洞区域；
S3、先根据黑洞区域的尺寸计算出阻尼层的平面面积，再将计算出的阻尼层以黑洞区域的中心为中心，通过粘合剂牢固粘贴于声学黑洞板朝向周期点阵结构的一侧；
S4、选定周期点阵结构的材料，并同时确定周期点阵结构的尺寸，利用SOLIDWORK软件建立单胞结构中周期点阵结构的模型并导入3D打印机中，采用3D打印技术打印出单个周期点阵结构的整体模型，并对整体模型进行抛光处理；
S5、将处理后的周期点阵结构的上下两端采用真空钎焊或者激光焊接分别与上面板的下表面和声学黑洞板的上表面固定连接，最终得到基于声学黑洞的点阵夹芯板。
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