CN115083381A - 基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构及方法 - Google Patents

基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构及方法，包括与均匀梁连接的声学黑洞结构和设在声学黑洞结构上表面的阻尼层元件；在均匀梁上分布有多个阵列分布的通孔，在通孔中设有阻尼共振器；声学黑洞结构包括由上表面为渐缩的弧形面和下表面为水平面构成的弧形板，阻尼共振器包括质量块和布置在质量块外周的阻尼梁，通过调整阻尼梁的厚度，选择减振结构需要衰减的低频段频率。本发明将结构上的弯曲波能量集中到声学黑洞构件上，并利用附着在声学黑洞结构表面的阻尼层实现对中高频弯曲波振动能量的吸收与耗散，将低频振动能量集中到阻尼共振器上，实现对低频弯曲波振动能量的衰减，达到对结构全频段减振降噪的良好效果。

Description

基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构及方法
技术领域
本发明涉及结构减振降噪与声振技术领域，特别是涉及一种基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构。
背景技术
声学黑洞概念可以类比天体物理学中的黑洞概念，声学黑洞效应通过对梁或薄板结构厚度进行幂律剪裁或者对材料特性进行梯度修改的方式，使弯曲波的相速度和群速度逐渐减小以至于趋近于零，进而实现弯曲波在末端产生弯曲波聚集效应，形成高能量密度区域。通过在声学黑洞尖端高能量区域附加阻尼材料，可以达到很好地能量吸收与减振降噪效果。
因此声学黑洞效应在减振、降噪、波动调控以及能量回收等方面具有广阔的应用前景。在结构的减振降噪过程中,因为声学黑洞结构与材料单一,在实际应用方面具有一定的优势。
理想声学黑洞结构其厚度变化规律服从幂率分布h(x)＝εxm(其中ε为剖面斜率，m为黑洞阶次)，在理想情况下，声学黑洞结构厚度沿着x减小的方向剪裁至零。
但是，传统的声学黑洞结构，其主要衰减主结构中高频段的振动，对于低频段的减振效果不佳，同时现在主要通过对主结构进行厚度剪裁来实现声学黑洞效应，这会削弱主结构的厚度，降低其刚度和强度，这些会影响实际工程结构的性能。
因此，在结构减振降噪过程中，设计一种可以弥补声学黑洞效应在低频段减振效果不佳，同时不破坏主结构强度的全频带减振装置是非常重要的。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，通过在均匀梁中间通孔连接阻尼共振器，在均匀梁侧面连接声学黑洞结构，最后将该减振结构敷贴于其他主结构上，在避免降低主结构强度的同时达到较好地全频带减振降噪的目的。
本发明目的是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，包括均匀梁、与均匀梁连接的声学黑洞结构和设在声学黑洞结构上表面的阻尼层元件；在均匀梁上分布有多个阵列分布的通孔，在通孔中设有阻尼共振器；
所述声学黑洞结构包括由上表面为渐缩的弧形面和下表面为水平面构成的弧形板，厚度大的一端连接均匀梁，厚度小的一端贴附阻尼层元件；
所述阻尼共振器包括质量块和布置在质量块外周的阻尼梁，通过调整阻尼梁的厚度，选择减振结构需要衰减的低频段频率。
作为优选，所述均匀梁为板状长方体，上下表面之间距离相等，均匀梁中间镂空多个长方形通孔，阻尼共振器设置于均匀梁长方形通孔中。
作为优选，所述阻尼共振器质量块为矩形结构，质量块厚度与所述均匀梁厚度相同；阻尼梁为一对矩形框型梁，一对阻尼梁对称布置在质量块两端，阻尼梁两端与均匀梁中间通孔侧壁相连接。
作为优选，在一对阻尼梁相对布置端带有弯折部，且每个阻尼梁的弯折部的弯折方向相同，其中一个弯折部连接质量块，另一个弯折部弯折方向向外；相对布置的阻尼梁弯折部方向相反。
作为优选，所述声学黑洞结构刚性连接于所述均匀梁侧面上；所述声学黑洞结构最大厚度与均匀梁厚度相同。
作为优选，所述声学黑洞结构边缘厚度为其最大厚度的0.05-0.1倍。
作为优选，所述阻尼层敷贴于所述声学黑洞结构上表面边缘处；所述阻尼层厚度为所述声学黑洞结构边缘厚度的1-4倍。
作为优选，所述均匀梁结构、声学黑洞结构和质量块材质为Q235A3钢；阻尼层和阻尼梁的材质为高阻尼合金、橡胶或泡沫塑料。
本发明进一步提供了一种所述结构的低频段频率筛选方法，包括以下步骤：
根据减振结构几何参数，在Comsol Mutiphysics6.0中建立阻尼共振器单元模型；
分别确定质量块和阻尼梁的材料参数和材料属性；
选择特征频率，设置阻尼共振器单元的阻尼梁厚度变化区域；
对选定厚度变化区域的阻尼梁进行参数化扫描计算，得到设定区域内每个阻尼梁厚度对应的模态频率；
利用数据处理软件origin画出阻尼梁在设定区域内每个厚度与对应模态频率值的关系曲线。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明提供的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，在减振结构的均匀梁区域，镂空多个长方形通孔，多个阻尼共振器连接于镂空的均匀梁通孔中间，通过共振原理，可以将低频振动能量集中到阻尼共振器的阻尼梁上，从而衰减低频振动能量；布置多个阻尼共振器，以加强低频段选定频率峰值的衰减效果。
2.连接在均匀梁侧面的声学黑洞结构利用声学黑洞效应，将均匀梁传递而来的弯曲波能量集中到声学黑洞结构端部，利用敷贴在声学黑洞结构表面的阻尼层实现对中高频段弯曲波振动能量的吸收与耗散。
3.将减振结构敷贴在主结构上，无需对主结构进行剪裁操作，通过声学黑洞效应，利用声学黑洞结构吸收耗散中高频振动能量，同时根据共振原理，利用阻尼共振器衰减低频振动能量，可以达到对主结构全频段减振降噪的优良效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明减振结构的立体结构示意图；
图2为本发明减振结构的声学黑洞结构的立体示意图；
图3为本发明减振结构的阻尼层的立体结构示意图；
图4为本发明减振结构的阻尼共振器的体结构示意图；
图5为本发明减振结构的截面厚度变化示意图；
图6为本发明减振结构的阻尼共振器在低频段的频率选择曲线；
图7为本发明减振结构的振动特性响应图；
附图中标记分别为：1-均匀梁；2-声学黑洞结构；3-阻尼层；4-阻尼共振器结构。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种结合声学黑洞效应与共振器原理的全频带减振结构，其包括均匀梁1、与均匀梁1连接的声学黑洞结构2和设在声学黑洞结构上表面的阻尼层3，在均匀梁上分布有多个阵列分布的通孔，在通孔中设有阻尼共振器4。
均匀梁结构为板状长方体，均匀梁结构上下表面之间距离相等，均匀梁中间镂空多个长方形通孔，多个阻尼共振器连接于镂空的均匀梁通孔中间，通过共振原理，可以将低频振动能量集中到阻尼共振器的阻尼梁上，从而衰减低频振动能量，布置多个阻尼共振器，以加强低频段选定频率峰值的衰减效果。
如图2所示，声学黑洞结构2的上表面为弧形面，下表面为平面，在本实施例中，声学黑洞结构边缘厚度为声学黑洞结构最大厚度的0.05倍。弧形面端部附有阻尼层3，在本实施例中，阻尼层厚度为声学黑洞结构边缘厚度的4倍。声学黑洞结构刚性连接于均匀梁侧面上，声学黑洞结构最大厚度与均匀梁厚度相同。通过声学黑洞效应吸收与衰减耗散均匀梁传递而来的振动能量。与均匀梁1连接端的弧形面表面高度高于外端面高度。振动能量传递到声学黑洞与均匀梁连接处，通过声学黑洞效应集中到声学黑洞尖端，声学黑洞结构弧形面上表面与下表面之间厚度满足图5所示关系式。
减振结构上表面与下表面的距离H满足以下关系：
Figure BDA0003696585790000051
其中，x表示距声学黑洞结构边缘的距离；x1为声学黑洞结构边缘到声学黑洞结构最大厚度处的距离；x2为声学黑洞结构边缘到均匀梁边缘的距离；h1为声学黑洞结构的边缘厚度；h2为均匀梁的厚度；ε为声学黑洞剖面斜率，ε＞0；m为声学黑洞阶次，2≤m≤3。
如图3所示，阻尼层3为均匀的薄层平面，阻尼层敷贴于声学黑洞结构上表面边缘处。通过声学黑洞效应集中到声学黑洞尖端的能量被阻尼层衰减耗散。
如图4所示，阻尼共振器4由质量块4-1与阻尼梁4-2组成，质量块4-1为矩形结构，阻尼梁4-2为一对矩形框型梁，一对阻尼梁4-2对称布置在质量块4-1两端，在一对阻尼梁4-2相对布置端带有弯折部，且每个阻尼梁4-2的弯折部的弯折方向相同，其中一个弯折部连接质量块4-1，另一个弯折部弯折方向向外；相对布置的阻尼梁4-2弯折部方向相反。阻尼梁4-2两端与均匀梁1中间通孔侧壁相连接。质量块厚度与所述均匀梁厚度相同。
质量块4-1与阻尼梁4-2组成的阻尼共振器4对应有一个共振模态频率，通过调整阻尼梁4-2的厚度，可以改变阻尼共振器4的共振模态频率，当振动传递到与均匀梁通孔侧壁相连接的阻尼梁4-2上时，通过共振原理可以消耗衰减该共振模态频率峰值。通过调整阻尼梁4-2的厚度，来选择减振结构需要衰减的低频段频率。
在本实施例中，均匀梁结构、声学黑洞结构和质量块材质为Q235A3钢；阻尼层和阻尼梁的材质包括高阻尼合金、橡胶、泡沫塑料。
下面通过有限元仿真模拟软件Comsol Mutiphysics6.0验证本减振结构的有效性。
1、仿真计算模型
对于本发明的一个实施例，选取减振结构均匀梁1长度为200mm，宽度为100mm，厚度为8mm。
选取阻尼共振器4中质量块4-1长度为60mm，宽度为40mm，厚度为8mm。
选取阻尼层3的长度为140mm，宽度为100mm，厚度为3.2mm。
为保证计算模型的低频段频率筛选准确性，同时提高具体频率减振效果，本实施例采用3个阻尼共振器阵列连接于均匀梁通孔内。
仅在均匀梁上连接声学黑洞结构和阻尼层时，通过仿真得到减振结构低频段的一个频率峰值为73Hz。
进一步的，通过以下步骤筛选全频带减振结构低频段频率：
步骤1，首先在Comsol Mutiphysics6.0建立与实施例一中减振结构相同几何参数的阻尼共振器单元模型；
步骤2，然后对阻尼共振器中的质量块设置为钢材料参数，对阻尼梁设置为橡胶材料属性；
步骤3，其次选择特征频率研究，设置阻尼共振器单元的阻尼梁厚度变化区域为0.0005m-0.002m。
步骤4，之后对选定厚度变化区域的阻尼梁进行参数化扫描计算，得到设定区域内每个阻尼梁厚度对应的模态频率，筛选全频带减振结构低频段频率为73Hz。
具体的，厚度变化区域的阻尼梁参数化扫描计算，按照如下步骤进行：
(1)首先在软件模型开发器窗口的全局定义节点下的参数栏中设置阻尼梁厚度变量参数为kx；
(2)之后在软件模型开发器窗口的组件节点下的几何栏中输入步骤(1)中阻尼梁厚度变量参数kx，根据几何参数建立阻尼梁构件模型；
(3)其后在软件模型开发器窗口的研究节点下，选择参数化扫描功能栏，在其设置窗口中，定位到研究设置栏，在其下参数名称栏中选定步骤(1)中定义的阻尼梁厚度变量参数kx，在参数值列表栏中输入需要设定的阻尼梁厚度变化区域为range(0,0.002/100,0.002)，最后返回设置窗口，点击计算图标求解参数化扫描结果。
步骤5，最后利用数据处理软件origin画出阻尼梁在设定区域内每个厚度与对应模态频率值的关系曲线。
如图6所示，通过上述步骤调整阻尼共振器4中阻尼梁4-2的厚度为1.04mm时,可以共振衰减该低频段73Hz处的频率峰值。
2、模型振动特性
由图7可知，本发明实施例中增加阻尼共振器的声学黑洞减振结构，相较于未连接阻尼共振器的声学黑洞减振结构，其低频段均方振动速度频率峰值能够降低接近20dB，从而在全频段具备突出的减振效果。
本发明提供的一种结合声学黑洞效应与共振器原理的全频带减振结构，有效解决了目前声学黑洞结构在低频段效果不佳的情况，此减振结构可以敷贴在主结构上，在不破坏主结构强度的基础上，实现对全频段振动能量的吸收与耗散，具有结构简单且减振频带宽泛的技术优势。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，包括均匀梁、与均匀梁连接的声学黑洞结构和设在声学黑洞结构上表面的阻尼层元件；在均匀梁上分布有多个阵列分布的通孔，在通孔中设有阻尼共振器；
所述声学黑洞结构包括由上表面为渐缩的弧形面和下表面为水平面构成的弧形板，厚度大的一端连接均匀梁，厚度小的一端贴附阻尼层元件；
所述阻尼共振器包括质量块和布置在质量块外周的阻尼梁，通过调整阻尼梁的厚度，选择减振结构需要衰减的低频段频率。
2.根据权利要求1所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，所述均匀梁为板状长方体，上下表面之间距离相等，均匀梁中间镂空多个长方形通孔，阻尼共振器设置于均匀梁长方形通孔中。
3.根据权利要求1所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，所述阻尼共振器质量块为矩形结构，质量块厚度与所述均匀梁厚度相同；阻尼梁为一对矩形框型梁，一对阻尼梁对称布置在质量块两端，阻尼梁两端与均匀梁中间通孔侧壁相连接。
4.根据权利要求3所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，在一对阻尼梁相对布置端带有弯折部，且每个阻尼梁的弯折部的弯折方向相同，其中一个弯折部连接质量块，另一个弯折部弯折方向向外；相对布置的阻尼梁弯折部方向相反。
5.根据权利要求1所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，声学黑洞结构刚性连接于所述均匀梁侧面上；声学黑洞结构最大厚度与均匀梁厚度相同。
6.根据权利要求1所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，所述声学黑洞结构最大厚度H满足以下关系：
Figure FDA0003696585780000011
其中，x表示距声学黑洞结构边缘的距离；x1为声学黑洞结构边缘到声学黑洞结构最大厚度处的距离；x2为声学黑洞结构边缘到均匀梁边缘的距离；h1为声学黑洞结构的边缘厚度；h2为均匀梁的厚度；ε为声学黑洞剖面斜率，ε＞0；m为声学黑洞阶次。
7.根据权利要求1所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，所述声学黑洞结构边缘厚度为其最大厚度的0.05-0.1倍。
8.根据权利要求1所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，阻尼层敷贴于所述声学黑洞结构上表面边缘处；阻尼层厚度为所述声学黑洞结构边缘厚度的1-4倍。
9.根据权利要求1所述的基于声学黑洞效应与共振原理的全频带减振结构，其特征在于，所述均匀梁结构、声学黑洞结构和质量块材质为Q235A3钢；阻尼层和阻尼梁的材质为高阻尼合金、橡胶或泡沫塑料。
10.根据权利要求1-9任一项所述结构的低频段频率筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据减振结构几何参数，在Comsol Mutiphysics6.0中建立阻尼共振器单元模型；
分别确定质量块和阻尼梁的材料参数和材料属性；
选择特征频率，设置阻尼共振器单元的阻尼梁厚度变化区域；
对选定厚度变化区域的阻尼梁进行参数化扫描计算，得到设定区域内每个阻尼梁厚度对应的模态频率。
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