CN116682401A - 一种嵌套式声学黑洞梁结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种嵌套式声学黑洞梁结构，包括两主梁、连接在两主梁之间的具有通孔的内嵌式声学黑洞体、嵌入到内嵌式声学黑洞体通孔中的声学黑洞振子体、和阻尼件，声学黑洞振子体具有与内嵌式声学黑洞体的通孔内壁相配合的嵌合面，通孔内壁壁面和嵌合面按照指数函数，阻尼件安装在内嵌式声学黑洞体和声学黑洞振子体上。本发明的嵌套式声学黑洞梁结构具有高效减振、提高系统整体阻尼水平、有效降低声学黑洞结构振动控制的截止频率、实现宽频带抑振、改变结构阻抗易于实现波的操纵、且实现轻质化的优点。
Description
技术领域
本发明属于结构减振降噪技术领域，具体涉及一种嵌套式声学黑洞梁结构（Nested Acoustic Black Hole Beam , NABH Beam）。
背景技术
声学黑洞（Acoustic Black Hole, ABH）效应是利用结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化，使得波在结构中的传播速度逐渐减小，理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象。实现声学黑洞效应的主要方法是将结构的厚度按照幂函数形式裁剪，从而利用声学黑洞效应将结构中传播的波动能量聚集在结构尖端厚度趋近于零的位置。但在实际实施过程中，受结构完整性的要求和加工条件的限制，黑洞最小厚度不能减小到零，而是保留一定的截断，可以通过附加适量的阻尼或能量转换材料以减小由于截断导致的波的反射，从而高效实现能量的消耗或转移，以此实现声学黑洞效应。综上，声学黑洞作为一种新型的波操纵技术，为先进结构振动噪声控制提供了可能，且由于其具有高效、轻质、宽频、可直接集成于系统等特性，使得其在结构的振动控制应用中具有巨大的潜力。
目前的一维声学黑洞梁结构设计形式较少，由于改变结构厚度较为容易，因此相关研究较多，即传统内嵌式声学黑洞结构设计，将声学黑洞内嵌在主梁结构中，通过对主梁结构的剪裁来实现。因为传统内嵌式声学黑洞设计存在一些比如尺寸上的限制，进而提出了另一种附加声学黑洞振子结构设计方案，即将声学黑洞振子作为一种动力吸能元件附加在主梁结构上。
现有的两种声学黑洞设计结构分别在实际工程问题中应用时还存在诸多技术性问题：
传统内嵌式声学黑洞结构的声学黑洞效应只有在一定特征频率以上的宽频范围之内才能够实现弯曲波的聚集，但是该特征频率受到声学黑洞特征尺寸的限制，在尺寸大小有限制的声学黑洞结构中，受到特征尺寸制约的最低频率以下的低频范围作用不太理想。并且实际工程中为保证结构的强度和刚度，允许加工的尺寸往往不会太大，因此低频很难有理想的控制效果。而声学黑洞振子自身具有丰富的动力学特性，容易与主结构频率匹配，且具有高的模态损失因子，应用时只需对尺寸等参数进行设计，单一结构即可实现低频范围多个频率的振动抑制。但是附加声学黑洞振子结构引入了额外质量，使得整体质量增加，不利于实现轻质化结构。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种嵌套式声学黑洞梁结构，通过结合声学黑洞的能量聚集和耗散效应以及振子的动力吸振效应，降低声学黑洞效应的有效作用频率。本发明的技术方案如下。
一种嵌套式声学黑洞梁结构，包括两主梁、连接在两主梁之间的具有通孔的内嵌式声学黑洞体、嵌入到内嵌式声学黑洞体通孔中的声学黑洞振子体、和阻尼件，声学黑洞振子体具有与内嵌式声学黑洞体的通孔内壁相配合的嵌合面，通孔内壁壁面和嵌合面按照指数函数形成，阻尼件安装在内嵌式声学黑洞体和声学黑洞振子体上。
进一步地，嵌套式声学黑洞梁结构整体为长方体状；内嵌式声学黑洞体包括上截断平台、下截断平台、连接在上截断平台两端的相对称的两个上黑洞部、连接在下截断平台两端的相对称的两个下黑洞部，所述通孔内壁由两个上黑洞部的下表面、上截断平台的下表面、和两个下黑洞部的上表面、下截断平台的上表面相连而成，相对的上黑洞部和下黑洞部的相对的表面均以指数函数的形式从与截断平台相连的一端向另一端一起逐渐收敛并在端部相连。
进一步地，声学黑洞振子体包括位于中间的支撑体和连接在支撑体两端的两个振子，两振子的两上表面相对称，两下表面也相对称，所述配合面由两振子的上表面、支撑体的上表面、和两振子的下表面、支撑体的下表面相连而成，位于支撑体同一侧的振子上表面和下表面均以指数函数的形式从与支撑体相连的一端向另一端一起逐渐收敛并在端部截停。
进一步地，阻尼件包括阻尼层和阻尼套，阻尼层贴合在各上黑洞部的上表面、各下黑洞部的下表面的位于截断平台侧的部位；阻尼套包括上片、下片和将上片与下片相连的连接部，上片和下片分别贴合在振子端部的上表面和下表面，连接部与振子的端头相对。
进一步地，阻尼层厚度均匀，阻尼套上片的贴合面、下片的贴合面均具有与所贴合的振子端部的上表面、下表面相配合的形状。
有益效果：本发明的嵌套式声学黑洞梁结构通过增加声学黑洞的设计空间，增强了声学黑洞的能量聚集和耗散效应，实现了更加高效的减振；通过结合声学黑洞的能量聚集和耗散效应以及振子的动力吸振效应，提高系统整体阻尼水平，可以有效降低声学黑洞结构振动控制的截止频率，弥补了传统内嵌式声学黑洞设计低频抑振效果不理想的缺陷，从而实现了宽频带抑振；嵌套式声学黑洞梁结构设计易于应用到厚度均匀分布的梁结构中，按幂律裁剪均匀梁结构的厚度，从而改变结构阻抗，易于实现波的操纵，且实现轻质化；嵌套式声学黑洞梁结构设计可以有更加灵活多样的关于声学黑洞结构、阻尼件等的排布和组合方式，在减振降噪领域有着巨大潜力。
附图说明
图1是单个嵌套式声学黑洞梁结构的整体立体示意图；
图2是嵌套式声学黑洞梁结构中内嵌式声学黑洞体的整体立体示意图；
图3是嵌套式声学黑洞梁结构中内嵌式声学黑洞体左下1/4区域的ZOX向视图；
图4是嵌套式声学黑洞梁结构中声学黑洞振子体的整体立体示意图；
图5是嵌套式声学黑洞梁结构中声学黑洞振子体左下1/4区域的ZOX向视图；
图6是嵌套式声学黑洞梁结构中阻尼件的整体立体示意图；（a）为阻尼层的图；（b）为阻尼套的图；
图7是嵌套式声学黑洞梁结构中阻尼件的ZOX向视图；（a）为阻尼层的图；（b）为阻尼套的图；
图8是连续三个横向排布的嵌套式声学黑洞梁结构的整体立体示意图；
图9是用以比较的相同尺寸、相同材质、相同工况条件下的两种梁结构的整体立体示意图；（a）为均匀梁的图；（b）为内嵌式声学黑洞梁的图；
图10是数值计算得到的三种梁结构的振动响应结果图；（a）为嵌套式声学黑洞梁和内嵌式声学黑洞梁关于模态损失因子的比较图；（b）为嵌套式声学黑洞梁和内嵌式声学黑洞梁关于均方振速的比较图；（c）为嵌套式声学黑洞梁和均匀梁关于均方振速的比较图；（d）为三种梁结构的综合比较图；
图中，1、主梁；2、内嵌式声学黑洞体；21、上截断平台；22、下截断平台；23、上黑洞部；24、下黑洞部；3、声学黑洞振子体；31、支撑体；32、振子；4、阻尼件；41、阻尼层；42、阻尼套。
实施方式
现在结合附图通过实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明并不限定于实施例。
如图1所示，一种嵌套式声学黑洞梁结构，包括两主梁1、连接在两主梁1之间的具有通孔的内嵌式声学黑洞体2、嵌入到内嵌式声学黑洞体2通孔中的声学黑洞振子体3、和阻尼件4。嵌套式声学黑洞梁结构整体为长方体状，主梁1的上表面、下表面分别与内嵌式声学黑洞体2的上表面、下表面齐平，主梁1的前侧面、后侧面分别与内嵌式声学黑洞体2的前侧面、后侧面齐平，声学黑洞振子体3的前侧面、后侧面分别与内嵌式声学黑洞体2的前侧面、后侧面齐平。
内嵌式声学黑洞体2包括上截断平台21、下截断平台22、连接在上截断平台21两端的相对称的两个上黑洞部23、连接在下截断平台22两端的相对称的两个下黑洞部24，上述通孔内壁由两个上黑洞部23的下表面、上截断平台21的下表面、和两个下黑洞部24的上表面、下截断平台22的上表面相连而成，相对的上黑洞部23和下黑洞部24的相对的表面均以指数函数的形式从与截断平台相连的一端向另一端一起逐渐收敛并在端部相连，如图2所示。
具体来说，如图3所示，取出内嵌式声学黑洞体2的左下1/4区域进行描述。左侧的下黑洞部24厚度通过上表面自左向右以指数函数的形式逐渐递减而逐渐变薄，其中x表示位置，厚度由左向右从位置x 2 开始逐渐减小至位置x 1 截断，厚度停止递减，x 1 至0的部分为下截断平台22的二分之一；结合图1，该下黑洞部24左端部x 2 处的厚度是主梁1上下表面之间距离的一半，该下黑洞部24右端部x 1 处的厚度与下截断平台22的厚度相等。内嵌式声学黑洞体2其余区域的描述方式与上述类似。
声学黑洞振子体3具有与内嵌式声学黑洞体2的通孔内壁相配合的嵌合面。声学黑洞振子体3包括位于中间的支撑体31和连接在支撑体31两端的两个振子32，支撑体31的上表面和下表面平行，是声学黑洞振子体3与内嵌式声学黑洞体2相连的部分，两振子32的两上表面相对称，两下表面也相对称，上述配合面由两振子32的上表面、支撑体31的上表面、和两振子32的下表面、支撑体31的下表面相连而成，位于支撑体31同一侧的振子32上表面和下表面均以指数函数的形式从与支撑体31相连的一端向另一端一起逐渐收敛并在端部截停，如图4所示。
具体来说，如图5所示，取出上述声学黑洞振子体3的左下1/4区域描述。左下侧的振子部分即1/4振子的厚度通过下表面自右向左以的形式逐渐递减而变薄，其中 x表示位置，厚度由振子右端位置x 3 向左开始逐渐减小至位置0截断，厚度停止递减；x 4 至x 3 的部分为1/4支撑体，x 3 处的厚度与1/4支撑体的厚度相等。为了更好地装配，该1/4支撑体的厚度与下截断平台22的厚度之和为主梁1上下表面之间距离的1/2。另外声学黑洞振子体3的支撑体31长度与内嵌式声学黑洞体2的截断平台长度相等。声学黑洞振子结构其余区域的描述方式与上述类似。上述嵌套式声学黑洞梁结构可以通过对附加振子尺寸参数、材料参数等的调整实现所需频带范围的调整，相较于传统内嵌式声学黑洞设计，调整起来更加方便。
如图6-7所示，阻尼件4包括阻尼层41和阻尼套42，阻尼层41厚度均匀，平贴在各上黑洞部23的上表面、各下黑洞部24的下表面的位于截断平台侧的部位；阻尼套42包括上片、下片和将上片与下片相连的连接部，上片和下片分别贴合在振子32端部的上表面和下表面，连接部与振子32的端头相对，阻尼套42上片的贴合面、下片的贴合面均具有与所贴合的振子32端部的上表面、下表面相配合的形状，按照声学黑洞振子32表面的形状曲线设计，使其恰好贴合声学黑洞振子32端部的上表面和下表面。阻尼层41、阻尼套42的前侧面、后侧面分别与内嵌式声学黑洞体2的前侧面、后侧面齐平。
本发明利用有限元仿真软件ABAQUS对设计的嵌套式声学黑洞梁（NestedAcoustic Black Hole Beam , NABH Beam）进行振动分析，并与相同尺寸、相同材质、相同工况条件下的均匀梁（Uniform Beam）和内嵌式声学黑洞梁（Embedded ABH Beam , EABHBeam)进行比较。
可以在均匀梁结构的基础上设计连续三个横向排布的嵌套式声学黑洞梁结构，如图8所示。
为了便于体现嵌套式声学黑洞梁优越的低频抑振效果，设计内嵌式声学黑洞梁，并在内嵌式声学黑洞梁的基础上附加声学黑洞振子结构，形成嵌套式声学黑洞梁；为了便于体现嵌套式声学黑洞梁实现低频抑振的同时也实现了结构的轻质化，设计相同尺寸、相同材质、相同工况条件下的均匀梁，如图9所示。
利用ABAQUS数值计算得到的三种梁结构在相同工况条件下的振动响应结果如图10所示，图10中，（a）是嵌套式声学黑洞梁和内嵌式声学黑洞梁关于模态损失因子的比较，可以发现嵌套式声学黑洞设计使得系统整体阻尼水平有所增加；（b）是嵌套式声学黑洞梁和内嵌式声学黑洞梁关于均方振速的比较，可以发现嵌套式声学黑洞设计弥补了内嵌式声学黑洞设计低频抑振效果不理想的缺陷，且实现了宽频内的抑振效果的增强；（c）是嵌套式声学黑洞梁和均匀梁关于均方振速的比较，可以发现嵌套式声学黑洞梁进行结构厚度的裁剪后，在保持轻质化的同时，模态密度有所增加，且宽频内表现出了优越的抑振效果；（d）是三种梁结构的综合比较。
三种梁结构的质量和质量损失表示于表1，由表1可知，与均匀梁相比，可以认为嵌套式声学黑洞梁具备一定的轻质化水平。
表1
综上所述，本发明嵌套式声学黑洞梁结构在梁结构的振动控制中具有可行性，基于声学黑洞效应，结合振子的动力吸振效应，本发明能够有效解决传统内嵌式声学黑洞结构设计局部强度低、特征尺寸较大和低频抑振效果不佳的问题，实现宽频带抑振，且具有一定的轻质化水平和高阻尼水平。
本发明为以提高振动控制效果与降低黑洞效应有效作用频率为目的的声学黑洞结构设计方案以及优化方法提供截面厚度的变化形式，具有高效、高阻尼、轻质、宽频的特性，在结构的振动控制应用中具有巨大的潜力。
上述未特别提及的技术均参照现有技术。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种嵌套式声学黑洞梁结构，其特征在于，包括两主梁（1）、连接在两主梁（1）之间的具有通孔的内嵌式声学黑洞体（2）、嵌入到内嵌式声学黑洞体（2）通孔中的声学黑洞振子体（3）、和阻尼件（4），声学黑洞振子体（3）具有与内嵌式声学黑洞体（2）的通孔内壁相配合的嵌合面，通孔内壁壁面和嵌合面按照指数函数形成，阻尼件（4）安装在内嵌式声学黑洞体（2）和声学黑洞振子体（3）上。
2.根据权利要求1所述的嵌套式声学黑洞梁结构，其特征在于，嵌套式声学黑洞梁结构整体为长方体状；内嵌式声学黑洞体（2）包括上截断平台（21）、下截断平台（22）、连接在上截断平台（21）两端的相对称的两个上黑洞部（23）、连接在下截断平台（22）两端的相对称的两个下黑洞部（24），所述通孔内壁由两个上黑洞部（23）的下表面、上截断平台（21）的下表面、和两个下黑洞部（24）的上表面、下截断平台（22）的上表面相连而成，相对的上黑洞部（23）和下黑洞部（24）的相对的表面均以指数函数的形式从与截断平台相连的一端向另一端一起逐渐收敛并在端部相连。
3.根据权利要求2所述的嵌套式声学黑洞梁结构，其特征在于，声学黑洞振子体（3）包括位于中间的支撑体（31）和连接在支撑体（31）两端的两个振子（32），两振子（32）的两上表面相对称，两下表面也相对称，所述配合面由两振子（32）的上表面、支撑体（31）的上表面、和两振子（32）的下表面、支撑体（31）的下表面相连而成，位于支撑体（31）同一侧的振子（32）上表面和下表面均以指数函数的形式从与支撑体（31）相连的一端向另一端一起逐渐收敛并在端部截停。
4.根据权利要求3所述的嵌套式声学黑洞梁结构，其特征在于，阻尼件（4）包括阻尼层（41）和阻尼套（42），阻尼层（41）贴合在各上黑洞部（23）的上表面、各下黑洞部（24）的下表面的位于截断平台侧的部位；阻尼套（42）包括上片、下片和将上片与下片相连的连接部，上片和下片分别贴合在振子（32）端部的上表面和下表面，连接部与振子（32）的端头相对。
5.根据权利要求4所述的嵌套式声学黑洞梁结构，其特征在于，阻尼层（41）厚度均匀，阻尼套（42）上片的贴合面、下片的贴合面均具有与所贴合的振子（32）端部的上表面、下表面相配合的形状。
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