CN116682402A - 一种附加式开槽声学黑洞减振结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种附加式开槽声学黑洞减振结构，涉及减振降噪技术领域，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，并且因为开槽处理，破环了圆盘型结构固有的完全对称性，产生了更多与被控结构耦合的模态，避免了传统对称式声学黑洞减振结构的局限性，在对称式声学黑洞减振结构的参与模态产生了拓宽效果，实现了高效率的减振降噪效果。
Description
技术领域
本发明涉及减振降噪技术领域，尤其涉及一种附加式开槽声学黑洞减振结构。
背景技术
减振一直是工程中一个重要的问题。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，噪声是结构振动向空气中辐射的波动能量。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，大规模推广的难度较大。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，这样虽然能达到减振降噪效果，但不仅增加了经济成本，而且引入了过多附加质量，不利于结构的轻质化。
声学黑洞效应(AcousticBlackHole,ABH)是借助结构阻抗的变化，使结构中传播的弯曲波相速度和群速度发生变化，在局部区域实现波的聚集，常规的改变结构阻抗方法是设计结构的厚度以某一幂函数形式减小，弯曲波速也会随着薄板厚度的减小而逐渐减小，在理想的情况下弯曲波速可以减小到零，实现弯曲波的零反射，结合阻尼耗散实现高效的能量耗损。它兼顾高效、轻质、宽频、设计简单灵活，可直接集成于系统等优良特性，被认为是一种具有强大潜能和广阔应用前景的波操纵方法。
然而，现有的声学黑洞结构(传统的声学黑洞结构)通过对被控对象裁剪来实现减振降噪的目的，这样对结构的刚度和强度有所降低，这对有强度和刚度要求的关键结构是不利的。现有对称式附加声学黑洞结构因其结构的对称性导致其出现了选择性耦合，这种选择性耦合严重限制了振动控制效果。
发明内容
本发明设计提供一种附加式开槽声学黑洞减振结构，为解决了上述背景技术中的问题，在声学黑洞部分，声学黑洞效应更容易产生，提高减振效果。
为实现上述目的，本发明提供如下方案：
一种附加式开槽声学黑洞减振结构，所述减振结构包括：对称圆盘、对称圆盘边缘延伸出的第一环形和对称圆盘上的槽型结构；
所述对称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；
所述对称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垂直；
所述槽型结构为在保持对称圆盘中的圆柱体不变，在声学黑洞部分和第一环形部分用过机械切割方法沿宽度方向切出槽。
优选的，所述幂函数的表达式为h(r)＝ε(r-r2)m+h1,(r1≤r≤r2)，其中h(r)表示所述声学黑洞部分的厚度，r1为对称圆盘中圆柱体的半径，r2为对称圆盘的半径，h1为对称圆盘中圆柱体的厚度，r为以对称圆盘中圆柱体的圆心到第一圆形上任意一点的半径，ε表示系数，m大于或等于二。
优选的，所述减振结构还包括，第二环形，所述为阻尼材料，所述第二环形粘贴于所述对称圆盘边缘的上方，所述第二环形的外径与第一环形的外径相同。
优选的，所述第二环形阻尼材料为丁基橡胶材料。
优选的，所述第一环形厚度等于所述声学黑洞部分的最小厚度。
优选的，所述对称圆盘和第一环形为铝材。
优选的，所述对称圆盘的第一圆形直径为120mm，对称圆盘中的圆柱体直径为30mm；所述第一环形的宽度为6mm；所述声学黑洞部分的最大厚度为3mm，最小厚度为0.2mm。
优选的，所述槽型结构的开槽数量为3，分别为0°、180°、245°，开槽宽度为1mm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下有益效果：
本发明公开了一种附加式开槽声学黑洞减振结构，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，博得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，道道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更容易变形，声学黑洞效应更容易发生，且因在对称圆盘中的声学黑洞区域进行开槽加工处理，加强了声学黑洞减振结构和被控结构的耦合，提高了声学黑洞减振的效果，并且在第一环形的上端粘贴阻尼材料，实现高效的能量损耗，进而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为本发明实例一种附加式开槽声学黑洞减振结构的剖视图；
图2为本发明实例一种附加式开槽声学黑洞减振结构的俯视图；
图3为本发明实例一种附加式开槽声学黑洞减振结构开槽位置的剖视图；
图4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5为本发明实例安装在均匀板的俯视图；
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阻尼特性对比图；
图7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开槽声学黑洞减振结构，从而实现单个装置控制被控对象的多个模态，使某些特定频率的峰值有明显降低，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所示，本发明公开了一种附加式开槽声学黑洞减振结构，包括减振结构，减振结构包括：对称圆盘、对称圆盘边缘延伸出的第一环形3和对称圆盘上的槽型结构；
对称圆盘包括圆柱体1和包覆在圆柱体侧面的声学黑洞部分2；
对称圆盘的上端面为第一圆形21，下端面为第二圆形22，第一圆形21所在平面和第二圆形22所在平面平行，第一圆形圆心和第二圆形圆心的连线与第一圆形21所在平面垂直；
声学黑洞部分2的厚度从圆柱体1侧面向外以幂函数形式递减；声学黑洞部分2的厚度为圆柱体1轴方向上的厚度；幂函数的表达式为h(r)＝ε(r-r2)m+h1,(r1≤r≤r2)，其中h(r)表示声学黑洞部分的厚度，r1为对称圆盘中圆柱体的半径，r2为对称圆盘的半径，h1为对称圆盘中圆柱体的厚度，r为以对称圆盘中圆柱体的圆心到第一圆形上任意一点的半径，ε表示系数，m大于或等于二；
槽型结构为在保持对称圆盘中的圆柱体(1)不变，在声学黑洞部分(2)和第一环形(3)部分用过机械切割方法沿宽度方向切出槽。
如图2所示，圆柱体1的上端面圆形构成了r1，圆柱体1和声学黑洞区域2的上端面圆形构成了r2，圆柱体1、声学黑洞区域2和第一环形3的上端面圆形构成了r3。
减振结构还包括：第二环形4，第二环形4为阻尼材料，第二环形4粘贴于对称圆盘边缘的上方，第二环形4的外径与第一环形外径相同，第二环形4材料为丁基橡胶材料，第一环形3厚度等于声学黑洞部分2的最小厚度，对称圆盘和第一环形3为铝材。
如图3所示，槽型结构的开槽数量n＝3，角度为0°、180°、245°。
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4所示，被控结构上的能量可以通过对称圆盘的圆柱体1转移到声学黑洞减振结构2上，在减振结构的均匀区域即对称结构的圆柱体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，且因在对称圆盘中的声学黑洞区域2进行开槽加工处理，使原本对称的结构变得复杂，在低频阶段可以看成是三个扇形的声学黑洞吸振器，对结构的减振效果是由三部分共同作用产生，加强了声学黑洞减振结构和被控结构的耦合，提高了声学黑洞减振的效果，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5为本发明实例安装在均匀板的俯视图，如图5所示，选取长为300mm、宽为240mm、厚度为6mm的均匀板作为被控对象，以均匀板的中心为原点，将1个附加式开槽声学黑洞减振结构附加在均匀板的(-120，-90)mm处，在板上方(100，50)mm处施加单位激励，减振结构包括对称圆盘的第一圆形直径为120mm，其中圆柱体1直径为30mm，对称圆盘边缘沿伸部分即第一环形3的宽度为6mm，对称圆盘的最大厚度为3mm，边缘最小厚度为0.2mm。均匀板与对称圆盘和第一环形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。
第二环形4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，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。
将附加式开槽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6所示，其中SABH-DVA为对称式声学黑洞减振结构，P3ABH-DVA为本实例开三个槽的附加式声学黑洞减振结构，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，其系统阻尼比最高有400倍的提升，与完全对称的对照组相比，在某些频率下，结构的阻尼水平仍然有较大的增加，尤其是1962Hz，其系统阻尼比相较于对照组有近200倍左右的提升，仅在300Hz附近的一个模态处阻尼特性表现较差；总体而言，附加式开槽声学黑洞减振结构可以很大程度提高均匀板的阻尼特性，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很大的好处，同时不会对被控对象造成损伤。
(2)振动控制特性分析
如图7所示，其中SABH-DVA为对称式声学黑洞减振结构，P3ABH-DVA为本实例开三个槽的附加式声学黑洞减振结构，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7中可以发现，附加对称式声学黑洞减振结构后，系统的振动仍然可以得到一定的抑制，这也说明了未经特殊尺寸设计的对称式声学黑洞减振结构的确可以为被控结构带来一定的振动抑制效果；此外，粘贴了本发明的附加式开槽声学黑洞减振结构后，相比对称式声学黑洞减振结构，附加式开槽声学黑洞减振结构在某些特定的峰值降低方面比对称式声学黑洞减振结构具有更好的效果，尤其是在218Hz、640Hz、967Hz和1962Hz，P3ABH-DVA比SABH-DVA的峰值进一步衰减了8dB、19dB、15dB和25dB，这是因为经过开槽处理后，低频段附加式开槽声学黑洞减振结构可以看作是三个扇形的声学黑洞吸振器，对矩形板的振动抑制效果实际上是由三部分共同作用产生，随着频率的增加，三个扇形的声学黑洞吸振器也会被逐渐激发出周向阶数很大的瓣状模态；其次，经过开槽处理后在相同的频率范围内，附加式开槽声学黑洞减振结构提升了模态数量，增加了与被控结构的耦合概率，并且附加式开槽声学黑洞减振结构在相同的频率范围内具有更多与被控结构耦合的模态，从而产生更优的振动抑制效果；最后，附加式开槽声学黑洞减振结构可以在对称式声学黑洞减振结构的参与模态附件产生拓宽效果，这也说明为什么附加式开槽声学黑洞减振结构在某些特定的频率下相对于对称式声学黑洞减振结构具有更好的效果。
本发明的附加式开槽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，避免了传统的对称式声学黑洞减振结构的局限性，通过开槽将对称圆盘分割成三个扇形的声学黑洞结构，破坏了圆盘型结构固有的完全对称性，提高了模态密度，产生了更多与被控结构耦合的模态，在对称式声学黑洞减振结构的参与模态附件产生拓宽效果，达到了某些频率下高效的减振效果，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。
本发明的附加式开槽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。
本发明与现有技术相比拥有减振效果好、方便设计易于加工，成本低等优点。
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 (9)
1.一种附加式开槽声学黑洞减振结构，包括减振结构，其特征在于，所述减振结构包括：对称圆盘、对称圆盘边缘延伸出的第一环形(3)和对称圆盘上的槽型结构；
所述对称圆盘包括圆柱体(1)和包覆在所述圆柱体(1)侧面的声学黑洞部分(2)；
所述对称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(21)圆心和第二圆形(22)圆心的连线与所述第一圆形(21)所在平面垂直；
所述声学黑洞部分(2)的厚度从所述圆柱体(1)侧面向外以幂函数形式递减；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；
所述槽型结构为在保持对称圆盘中的圆柱体(1)不变，在声学黑洞部分(2)和第一环形(3)部分用过机械切割方法沿宽度方向切出槽。
2.根据权利要求1所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，其特征在于，所述幂函数的表达式为h(r)＝ε(r-r2)m+h1,(r1≤r≤r2)，其中h(r)表示所述声学黑洞部分(2)的厚度，r1为对称圆盘中圆柱体的半径，r2为对称圆盘的半径，h1为对称圆盘中圆柱体的厚度，r为以对称圆盘中圆柱体的圆心到第一圆形(21)上任意一点的半径，ε表示系数，m大于或等于二。
3.根据权利要求1所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，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)粘贴于所述对称圆盘边缘的上方，所述第二环形(4)的外径与所述第一环形(3)外径相同。
4.根据权利要求3所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，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所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，其特征在于，所述对称圆盘和第一环形(3)为铝材。
7.根据权利要求1所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，其特征在于，所述对称圆盘的第一圆形(21)直径为120mm，对称圆盘中的圆柱体直径为30mm，所述第一环形(3)的宽度为6mm；所述声学黑洞部分(2)的最大厚度为3mm，最小厚度为0.2mm。
8.根据权利要求3所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，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。
9.根据权利要求1所述的一种附加式开槽声学黑洞减振结构，其特征在于，所述槽型结构的开槽数量为3，角度分别为0°、180°、245°，开槽宽度为1mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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