CN115620689A - 一种环状螺旋式声学黑洞减振结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环状螺旋式声学黑洞减振结构，涉及减振降噪技术领域，包括采用耐高温材料制成的中心圆环、多个阿基米德螺线声学黑洞和环带；中心圆环套设于待减振管状结构的表面；每个阿基米德螺线声学黑洞均由一个一维声学黑洞的末端以阿基米德螺线的形式绕待减振管状结构卷曲形成；各一维声学黑洞的首端均通过中心圆环固定于待减振管状结构的表面，且各一维声学黑洞的首端沿待减振管状结构的周向均匀布设在中心圆环中；一维声学黑洞的厚度从一维声学黑洞的首端向一维声学黑洞的末端以指数形式递减；阻尼环带粘附于阿基米德螺线声学黑洞的最外层轮廓上，各环带共同构成减振结构的最外层轮廓。本发明适用管状结构的减振降噪，且轻质和耐高温。

Description

一种环状螺旋式声学黑洞减振结构

技术领域

本发明涉及减振降噪技术领域，特别是涉及一种环状螺旋式声学黑洞减振结构。

背景技术

高减振性能的轻质结构的开发，一直是工程问题中的重要挑战。由于结构振动并产生噪声的本质是结构在边界多次反射产生的波动现象，以及弹性波与周围声介质的相互耦合作用。因此，实现结构减振降噪的一种有效手段就是针对结构中的弹性波进行控制。目前波的操控技术主要有两大类：主动控制和被动控制。主动控制一般需要外部供能，而且系统的设计也很繁琐，所以目前而言实用性不足，难以大规模推广。被动控制最常见的方式就是贴阻尼材料，但对于一些大型结构，则需要在其表面粘贴大量的阻尼材料，不但增加了经济成本，而且引入了过多附加质量，不利于结构的轻质化。

声学黑洞(Acoustic Black Hole，ABH)效应通过改变结构的厚度，使其按照一定的幂律变化从而改变结构阻抗，导致弹性波在结构中的传播速度逐渐减小。在理想情况下，当厚度减小为零时，波速也相应减小为零从而产生波的零反射和能量集中的现象。在实际加工中，由于截断的存在，导致厚度无法减小为零，但能量仍然集中在结构最小厚度区域。因此在能量集中区域结合少量的阻尼材料，可以有效的增强结构损失因子，吸收能量，降低结构的振动。

然而，现有的声学黑洞结构(传统的声学黑洞结构)多为梁状和盘状结构，主要针对平板状结构进行设计，即主要针对垂直于板面方向的振动进行设计。对于管状结构(管道结构)，其振动方向除了有垂直于管道方向的径向振动(弯曲振动)还有绕着管道方向的周向振动(扭转振动)，对于这种非平面结构所产生的多方向性的振动(多方向即管道振动时产生的沿着管道方向的弯曲振动和管道扭转产生的扭转振动以及弯曲和扭转耦合形成的弯扭振动)，传统的声学黑洞是无法满足减振要求的，即传统的声学黑洞结构对于工厂建设和生产过程中广泛运用的管道结构是不适用的。

现有的对于管道结构的减振处理方式大部分都是在管道上铺一层阻尼材料，这种方式往往会对于结构本身增加过多的质量，不利于生产加工中对于轻质化的要求，另外，由于管道这种结构在实际工程应用中往往面对高温的工作环境，对于大部分阻尼材料是无法在高温工况下进行使用的。

综上，本领域亟需一种新型声学黑洞结构，以适用于管状结构的减振降噪，同时达到轻质和耐高温的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种环状螺旋式声学黑洞减振结构，从而适用于管状结构的减振降噪，同时达到轻质和耐高温的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种环状螺旋式声学黑洞减振结构，所述减振结构包括采用耐高温材料制成的中心圆环、多个阿基米德螺线声学黑洞和多个环带；

所述中心圆环套设于待减振管状结构的表面；每个所述阿基米德螺线声学黑洞均由一个一维声学黑洞的末端以阿基米德螺线的形式绕所述待减振管状结构卷曲形成；各所述一维声学黑洞均相同；各所述一维声学黑洞的首端均通过所述中心圆环固定于所述待减振管状结构的表面，且各所述一维声学黑洞的首端沿所述待减振管状结构的周向均匀布设在所述中心圆环中；所述一维声学黑洞的首端为所述一维声学黑洞最厚的一端；所述一维声学黑洞的末端为所述一维声学黑洞最薄的一端；所述一维声学黑洞的厚度从所述一维声学黑洞的首端向所述一维声学黑洞的末端以指数形式递减；

所述环带粘附于所述阿基米德螺线声学黑洞的最外层轮廓上，各所述环带共同构成所述减振结构的最外层轮廓；所述阿基米德螺线声学黑洞用于吸收并耗散掉所述待减振管状结构上任意位置产生的弯曲振动能量和扭转振动能量；所述环带用于消耗所述弯曲振动能量和所述扭转振动能量。

可选地，所述阿基米德螺线声学黑洞的数量至少为4个。

可选地，所述环带的数量至少为4个。

可选地，所述阿基米德螺线声学黑洞的数量和所述环带的数量等同。

可选地，所述指数的表达式为h(x)＝εx^m+h₀；其中，h(x)表示所述一维声学黑洞的厚度；ε表示系数；x表示所述一维声学黑洞的长度；m为常数，且m≥2；h₀表示所述一维声学黑洞最薄的一端的厚度。

可选地，所述环带为阻尼材料。

可选地，所述阻尼材料为3M阻尼材料。

可选地，所述中心圆环上设置有螺栓孔；所述螺栓孔用于固定连接两个所述待减振管状结构。

可选地，所述中心圆环通过胶接或焊接方式固定于所述待减振管状结构的表面。

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：

本发明公开的环状螺旋式声学黑洞减振结构，将各一维声学黑洞的首端均通过中心圆环固定于待减振管状结构的表面，且各一维声学黑洞的首端沿待减振管状结构的周向均匀布设在中心圆环中，各一维声学黑洞的末端均以阿基米德螺线的形式绕待减振管状结构卷曲形成环状螺旋式声学黑洞减振结构，均匀布设的各一维声学黑洞的首端通过中心圆环固定于待减振管状结构的表面，实现了环状螺旋式声学黑洞减振结构与待减振管状结构通过圆环连接，接触面覆盖了整个待减振管状结构的周向表面，因此环状螺旋式声学黑洞减振结构可以吸收并耗散掉待减振管状结构上任意位置产生的弯曲振动能量和扭转振动能量，通过将待减振管状结构上的振动能量传递到由耐高温材料制成的环状螺旋式声学黑洞减振结构的变厚度区域(阿基米德螺线声学黑洞是变厚度的)，结合声学黑洞减振降噪的特性，同时结合变厚度区域上粘贴的阻尼环带耗散振动能量，来达到降低振动进而减少噪声，且耐高温的效果；此外，相比于现有技术采用整个待减振管状结构上铺设笨重的阻尼材料，仅采用环状螺旋式声学黑洞减振结构实现管状结构的减振降噪，达到了轻质的效果。

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为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构实施例的结构图；

图2为本发明一维声学黑洞示意图；

图3为本发明阿基米德螺线声学黑洞示意图；

图4为本发明CSABH的形成示意图；

图5为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构局部立体图；

图6为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构侧视图；

图7为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构主视图；

图8为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构完整立体图；

图9为均匀管与均匀管附加环状螺旋式声学黑洞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10为均匀管与均匀管附加环状螺旋式声学黑洞减振结构系统和附加对照组结构系统的振动特性对比图；

图11为将CSABH当做法兰时打孔示意图；

图12为当CSABH作为管道法兰结构连接两个管道时的示意图。

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环状螺旋式声学黑洞减振结构，从而适用于管状结构的减振降噪，同时达到轻质和耐高温的目的。

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为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构实施例的结构图，图2为本发明一维声学黑洞示意图，图3为本发明阿基米德螺线声学黑洞示意图。参见图1、图2和图3，该环状螺旋式声学黑洞减振结构包括采用耐高温材料制成的中心圆环44、多个阿基米德螺线声学黑洞1和多个环带45。图1中的省略号“......”表示多个阿基米德螺线声学黑洞1和多个环带45。

中心圆环44套设于待减振管状结构A1的表面；每个阿基米德螺线声学黑洞1均由一个一维声学黑洞2的末端以阿基米德螺线的形式绕待减振管状结构A1卷曲形成；各一维声学黑洞2均相同；各一维声学黑洞2的首端a均通过中心圆环44固定于待减振管状结构A1的表面，且各一维声学黑洞2的首端a沿待减振管状结构A1的周向均匀布设在中心圆环44中；一维声学黑洞2的首端a为一维声学黑洞2最厚的一端；一维声学黑洞2的末端b为一维声学黑洞2最薄的一端；一维声学黑洞2的厚度从一维声学黑洞2的首端a向一维声学黑洞2的末端b以指数形式递减。指数的表达式为h(x)＝εx^m+h₀；其中，h(x)表示一维声学黑洞2的厚度；ε表示系数；x表示一维声学黑洞2的长度；m为常数，且m≥2；h₀表示一维声学黑洞2最薄的一端的厚度。

环带45粘附于阿基米德螺线声学黑洞1的最外层轮廓上，各环带45共同构成环状螺旋式声学黑洞减振结构的最外层轮廓；阿基米德螺线声学黑洞1用于吸收并耗散掉待减振管状结构A1上任意位置产生的弯曲振动能量和扭转振动能量；环带45用于消耗弯曲振动能量和扭转振动能量。

其中，阿基米德螺线声学黑洞1的数量至少为4个。环带45的数量至少为4个。阿基米德螺线声学黑洞1的数量和环带45的数量等同。

具体的，环带45为阻尼材料。阻尼材料为3M阻尼材料。

中心圆环44通过胶接或焊接方式固定于待减振管状结构A1的表面。各一维声学黑洞2的首端a均固定于待减振管状结构A1的表面通过中心圆环44连接成一个整体。通过中心圆环44将各一维声学黑洞2连接在一起。

作为一种可选的实施方式，中心圆环44上设置有螺栓孔；螺栓孔用于固定连接两个待减振管状结构A1。

下面以一个具体实施例详细说明本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构的技术方案：

本发明提出的环状螺旋式声学黑洞减振结构，基于环状螺旋式声学黑洞(Circular Spiral Acoustic Black Hole，CSABH)的基频低，模态密度高，与主结构的固有频率匹配度高，可以在更宽的频域内产生动力吸振效果，提高声学黑洞与主结构的耦合效应，提升结构的损失因子，进而对结构的振动能量进行抑制，达到宽频减振的作用。由于CSABH与管道通过圆环(中心圆环44)连接，接触面覆盖了整个管道结构的周向表面，可以吸收并耗散掉管道上任意位置产生的弯曲振动和扭转振动能量，从而达到多方向的减振目的。

1、CSABH的曲面公式

CSABH是由一个阿基米德螺线ABH1绕圆心O阵列k个得来，取CSABH的单支为研究对象，以O为原点，建立极坐标系(r,θ)，如图3所示。其中R是螺线外圈半径；r是螺线内圈半径；n是螺线的转数；θ是旋转角度。其曲线方程如下：

r(s)＝R-(R-r)s

q(s)＝2πns

s∈[0,1]

式中，q表示螺线从起点到终点旋转了多少度，s表示一个变量用来限定螺旋线上每一个点的半径。

曲线方程的作用是为了描述CSABH上的螺线型ABH区域的曲线，便于改变方程中的参数来调节和设计CSABH结构。其中，阿基米德螺线ABH1轮廓，如图3所示，是由图2的一维ABH2轮廓以阿基米德螺线的形式卷曲而成，其变厚度区域的参数与一维ABH2变厚度区域的参数相同，一维ABH2变厚度区域满足h(x)＝εx^m+h₀。图3和图2中的实线部分都是变厚度区域，也就是ABH区域都是变厚度的。图3和图2示出了CSABH曲面。

2、CSABH的形成

本发明研究举例的CSABH是由一个阿基米德螺线ABH1绕圆心O阵列4个得来，即以环状螺旋式声学黑洞减振结构包括4个阿基米德螺线声学黑洞为例，对本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构进行详细说明，本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构形成过程如图4所示，图4为本发明CSABH构造示意图，即CSABH的形成示意图，图4中(a)部分表示一根阿基米德螺线ABH示意图，图4中(b)部分表示四根阿基米德螺线ABH示意图，图4中(c)部分表示形成的CSABH示意图。CSABH形成过程就是由一根阿基米德螺线ABH，如图4中(a)部分的实线部分所示，绕着虚线圆环(中心圆环44)阵列出其他三个，也可理解为由一根阿基米德螺线ABH绕着虚线圆环旋转复制出其他三个，并且与其他三个共同形成4个阿基米德螺线ABH，如图4中(b)部分的实线部分所示。图4中(a)部分、(b)部分和(c)部分表达的是CSABH的形成(建模)过程，图4中，(b)部分是(c)部分的一个透视化，也是(a)部分的阵列过程。CSABH完全形成时也就是图4中(c)部分的形式，阿基米德螺线ABH的a端部分(粗的部分)与图4中(a)部分和(b)部分中间的虚线圆环在最后成型时融为一体，因此图4中(c)部分的表示中也就不需要再次显示。虚线圆环是真实存在的，圆环存在的意义是将4个阿基米德螺线ABH给连接起来形成一个整体，并安装在待减振管状结构A1上。融为一体指的是最后的CSABH(不贴阻尼)呈现出的实物主视图是图4中(c)部分所示的表现形式，通过肉眼是无法直接看到虚线圆环的存在。4根阿基米德螺线ABH是通过中心圆环44连接成一个整体，形成一个结构也就是CSABH结构，在不贴阻尼的情况下CSABH的主视图是图4中(c)部分所示的形式。另外，各个阿基米德螺线ABH的a端部分不用必须间隔四分之一圆弧，本发明是以间隔四分之一圆弧为例展开讨论，具体间隔可视所需研究对象自行拟定。

3、CSABH的减振

图5为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构局部立体图，图6为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构侧视图，图7为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构主视图，如图5、图6和图7所示，本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构A2包括：中心圆环44和绕着中心圆环44的阿基米德螺线ABH，环状螺旋式声学黑洞减振结构A2设置在被控结构(待减振管状结构)A1上。

中心圆环44由第二圆形42(即管道外壁42)与第三圆形43组成，被控结构A1的管道内径为第一圆形41，管道外径为第二圆形42，第一圆形41与第二圆形42和第三圆形43的圆心相同，第二圆形42与第三圆形43在同一平面上。

环状螺旋式声学黑洞减振结构A2通过第二圆形42与被控结构A1相连接。第二圆形42是管道外壁，无需在管道外壁打孔，第二圆形42是管道与CSABH公用的，既是管道外壁，也是CSABH的内壁。减振结构A2与被控结构A1连接时可通过将CSABH套在管道上，在二者的接触面通过胶接或者焊接的方式连接。

声学黑洞部分(阿基米德螺线ABH)的厚度同一维ABH的厚度以指数形式递减，并将一维ABH绕着中心圆环44弯曲成阿基米德螺线形式。其中，声学黑洞部分的厚度就是一维ABH的厚度。指数表达式为h(x)＝εx^m+h₀，式中，h(x)表示声学黑洞部分的厚度(变厚度区域的厚度)，ε表示系数，x表示一维ABH的长度，m≥2，h₀表示声学黑洞部分的最小厚度。ε的确定方法为：先根据需要确定出图2中的声学黑洞部分的最小厚度h₀和声学黑洞部分的最大厚度h₁的值，然后按照图2中的xy坐标系将点代入表达式h(x)＝εx^m+h₀中通过方程求出系数。

本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构还包括环带45，环带45的作用是消耗大部分弹性波能量(振动能量)。环带45为阻尼材料，环带45粘附于阿基米德螺线ABH轮廓上方，从阿基米德螺线ABH最小厚度处向最大厚度处粘贴适当长度。其中，阻尼不需要粘贴整个阿基米德螺线ABH轮廓上方，从ABH最小厚度处向最大厚度处粘贴就可以，粘贴的阻尼环带具体长度可以自行拟定，理论上阻尼粘贴越多越好，但为了减轻质量，往往只粘贴一小部分也可以达到理想的减振效果。

具体的，环带45阻尼材料为3M阻尼材料。

本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构是基于固体介质中的弹性波随着结构厚度按一定幂率函数减小，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弹性波聚集于厚度变薄区域内，如图5所示，被控结构A1上的振动能量可以通过中心圆环44转移到环状螺旋式声学黑洞减振结构A2上。在环状螺旋式声学黑洞减振结构A2的声学黑洞区域(阿基米德螺线ABH)，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，通过结合阻尼材料45消耗大部分弹性波能量，从而实现高效率能量吸收或减振降噪的目的。

另外，在使用本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构实现管状结构的减振降噪时，可根据实际情况选择使用本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构的数量，只使用一个本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构也能实现管状结构的减振降噪，但考虑到本实施例中的被控管道振动模态具有对称性，因此如果将本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构安装在偏左端的区域，对管道左端的振动抑制效果最好，同理将本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构安装在右端对管道右端的区域振动抑制最好。所以，为了控制住整根管道的振动，达到振动控制的最佳效果，最好在管道的两端振动位移最大的位置各安装一个本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构。本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构原则上应该安装在管道发生振动时位移最大的位置。

图8为本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构的立体图，即环状螺旋式声学黑洞减振结构完整立体图。如图8所示，取长为1700mm、外径66mm、内径60mm的空心均匀管道结构作为被控对象(被控结构)A1。将两个环状螺旋式声学黑洞(CSABH)附加在空心管道的两端。环状螺旋式声学黑洞减振结构包括中心圆环的第二圆形直径为66mm、第三圆形直径为75mm。螺线外圈半径R为63.5mm、螺线内圈半径r为37.5mm、螺线的转数n为1、旋转角度θ为0°。声学黑洞区域部分(阿基米德螺线ABH)最小厚度h₀为0.5mm、最大厚度h₁为4.5mm。空心圆管道材料选用铝材，环状螺旋式声学黑洞材料选用光敏树脂。环状螺旋式声学黑洞减振结构上还包括环带45，环带45为阻尼材料，长83.56mm，宽20mm，厚度为1mm，选用3M阻尼材料布置，材料损失因子(损耗因子)设置为0.2。同时为了对比研究，还设计了一个质量完全相同的均匀厚度的环状螺旋式结构作为对照组。其中，质量完全相同的均匀厚度的环状螺旋式结构，即环状螺旋式等质量结构(Circular Spiral Equal Mass，CSEM)。

环带阻尼材料的宽度与CSABH的宽度相同，厚度是根据实际中常见阻尼材料的厚度确定的1mm，粘贴厚度不超过黑洞区域，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。

将环状螺旋式声学黑洞减振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环状螺旋式声学黑洞减振结构的阻尼水平和振动速度响应。

计算结果分析：

(1)阻尼特性分析

如图9所示，本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构可以大幅度提高结构的固有阻尼水平，其系统阻尼比在全频带有5-80倍的提升。而等质量的均匀的环状螺旋式结构(环状螺旋式等质量结构)因树脂材料的属性仅有1-20倍的提升，与其相比，CSABH的固有阻尼水平增加明显。在100Hz-5000Hz整个频带范围内，CSABH的系统阻尼比相比于对照组成倍的提升。总而言之，CSABH结构可以大幅度提升均匀管道结构的阻尼特性，比等质量的环状螺旋式结构(环状螺旋式等质量结构)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，同时因为较轻的质量不会对被控对象造成损伤。

(2)振动控制特性分析

如图10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进行评价。从图10中可以发现，附加了本发明的环状螺旋式声学黑洞减振结构后，相比被控前的结构，整个频带范围内所有频率均有8-35dB的共振峰降低，这是因为本发明的环状螺旋式声学黑洞减振结构由于具备声学黑洞效应和动力吸振效应以及螺线式设计产生的扭转模态带来的良好的方向性和鲁棒性，使其具有非常高的模态阻尼比，并且可以在较宽的频带范围内适应多方向传来的振动能量，发挥其减振特性，吸收被控结构上的振动能量，降低系统的振动水平。另外，相比于附加了等质量环状螺旋式结构(环状螺旋式等质量结构)的系统，附加本发明的环状螺旋式声学黑洞结构比附加等质量环状螺旋式结构的系统在全频带的共振峰处有0-26dB的振动衰减，其原因在于，环状螺旋式声学黑洞结构边缘变厚度的设计，改变了结构的阻抗，导致弹性波在结构中的传播速度逐渐减小，使振动能量集中在结构最小厚度区域。通过在能量集中区域结合少量的阻尼材料，可以有效的增强结构损失因子，吸收能量，降低结构的振动。

本发明环状螺旋式声学黑洞减振结构巧妙的结合了声学黑洞结构、动力吸振器结构和阿基米德螺线结构的特性，避免了传统声学黑洞在振动控制中仅能针对板状结构进行控制，以及控制弹性波的方向性有限的局限性，并且螺线式的设计在节省空间的前提下提高了结构的模态密度，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。

本发明的环状螺旋式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。

本发明提出的环状螺旋式的声学黑洞(CSABH)结构，即环状螺旋式声学黑洞减振结构，通过将ABH设计成螺旋式可以拓宽ABH的频带范围，并增加了ABH对振动控制的方向性。与此同时，中心圆环44与管壁(管状结构外壁)的连接设计也增加了ABH与管道(管状结构)的接触面，确保了将管道上的振动全面的传递到圆环上方的声学黑洞区域，达到宽频、多方向的减振目的，其对振动的控制除了对垂直于管道方向的径向振动有效外，还解决了普通声学黑洞无法控制的绕着管道方向的周向振动。并且在中心圆环44处打螺栓孔，即在CSABH上打孔作为新的法兰结构代替常用的法兰结构，如图11所示，便可以使环状螺旋式声学黑洞结构(环状螺旋式声学黑洞减振结构)代替传统的管道与管道相连接的法兰结构，使其成为一种可以减振的法兰结构。在中心圆环44处打孔是为了代替法兰结构连接两个管道，若仅仅使用CSABH的减振功能则无需打孔也可以通过胶接、焊接等方式套在管道上即可，若当做法兰打孔可参见图11。当CSABH作为管道法兰结构连接两个管道时的示意图如图12所示。

本发明提出的环状螺旋式的声学黑洞(CSABH)结构，可以采用耐高温材料制成，结合声学黑洞减振降噪的特性，达到轻质，耐高温，宽频减振的目的。其中，声学黑洞减振降噪的实现是通过将管道上的振动能量传递到CSABH结构的变厚度区域，结合上面粘贴的阻尼材料耗散振动能量，来达到降低振动进而减少噪声的效果，从而解决了管状结构减振降噪的难题。本发明结构相对于被控主结构(待减振管状结构)质量轻，以本发明中的举例来看，安装两个CSABH达到良好的减振效果仅仅对于主结构增加了5.6％的质量，而传统对于管道的减振往往采用整个管道上铺设笨重的阻尼材料，其附加质量往往超过10％甚至更多，因此本发明结构能达到轻质效果。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.将传统声学黑洞结构设计成螺线形式并通过结合环状结构使其能够应用在管道系统上。

2.将环状螺旋式声学黑洞的外圈声学黑洞部分设计成螺线形式可以增加对管道结构振动控制的方向性。

3.将声学黑洞部分设计成螺线形式可以在节省安装空间的前提下提高模态密度，增强ABH与主结构的耦合效应，使得在宽频范围内大幅提高结构的损失因子，拓宽振动控制的频带范围。

4.环状螺旋式声学黑洞主要结合声学黑洞、动力吸振器和阿基米德螺线结构三种主要结构设计而成。

5.将声学黑洞设计成可应用在管道结构的环状形式。

6.环状螺旋式声学黑洞可作为新型具有减振功能的法兰结构建立起管道与管道之间的连接。

7.CSABH是由单只螺线型ABH(阿基米德螺线ABH)绕圆心阵列k个得来。通常k≥4即可，阵列其他个数形成的结构其本质的原理和减振机理与本发明中提到的完全相同。

8.环状螺旋式的声学黑洞(CSABH)结构可以采用耐高温等各种材料制成，可以适应管道工作时的各种复杂工况，避免减振结构在恶劣工况下损坏的情况发生。并且由于其声学黑洞结构的特性，可以达到轻质，耐高温，宽频减振的目的。

9.环状螺旋式的声学黑洞(CSABH)结构可以作为管道的法兰结构安装在管道上，可代替传统的法兰结构，避免了管道为了减振而添加其他不必要的减振结构。

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 (9)

1.一种环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述减振结构包括采用耐高温材料制成的中心圆环、多个阿基米德螺线声学黑洞和多个环带；

所述中心圆环套设于待减振管状结构的表面；每个所述阿基米德螺线声学黑洞均由一个一维声学黑洞的末端以阿基米德螺线的形式绕所述待减振管状结构卷曲形成；各所述一维声学黑洞均相同；各所述一维声学黑洞的首端均通过所述中心圆环固定于所述待减振管状结构的表面，且各所述一维声学黑洞的首端沿所述待减振管状结构的周向均匀布设在所述中心圆环中；所述一维声学黑洞的首端为所述一维声学黑洞最厚的一端；所述一维声学黑洞的末端为所述一维声学黑洞最薄的一端；所述一维声学黑洞的厚度从所述一维声学黑洞的首端向所述一维声学黑洞的末端以指数形式递减；

所述环带粘附于所述阿基米德螺线声学黑洞的最外层轮廓上，各所述环带共同构成所述减振结构的最外层轮廓；所述阿基米德螺线声学黑洞用于吸收并耗散掉所述待减振管状结构上任意位置产生的弯曲振动能量和扭转振动能量；所述环带用于消耗所述弯曲振动能量和所述扭转振动能量。

2.根据权利要求1所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述阿基米德螺线声学黑洞的数量至少为4个。

3.根据权利要求1所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述环带的数量至少为4个。

4.根据权利要求1所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述阿基米德螺线声学黑洞的数量和所述环带的数量等同。

5.根据权利要求1所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述指数的表达式为h(x)＝εx^m+h₀；其中，h(x)表示所述一维声学黑洞的厚度；ε表示系数；x表示所述一维声学黑洞的长度；m为常数，且m≥2；h₀表示所述一维声学黑洞最薄的一端的厚度。

6.根据权利要求1所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述环带为阻尼材料。

7.根据权利要求6所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述阻尼材料为3M阻尼材料。

8.根据权利要求1所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述中心圆环上设置有螺栓孔；所述螺栓孔用于固定连接两个所述待减振管状结构。

9.根据权利要求1所述的环状螺旋式声学黑洞减振结构，其特征在于，所述中心圆环通过胶接或焊接方式固定于所述待减振管状结构的表面。

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