CN117275443A - 一种多层周期声学黑洞减振结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多层周期声学黑洞减振结构，包括：圆柱体、声学黑洞构件和阻尼层；圆柱体中分布有声学黑洞构件；声学黑洞构件底部为阻尼层。本申请提供的一种基于声子晶体的多层周期声学黑洞减振结构，有效解决了小空间复杂结构环境下的振动抑制问题，此减振方案，在不增加原有系统质量的前提下，实现对振动的高效吸收，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本申请涉及结构减振降噪与声振技术领域，尤其涉及一种多层周期声学黑洞减振结构。
背景技术
结构的振动噪声普遍存在于航空航天、船舶、汽车、轨道车辆以及电子电器等诸多领域的机电设备之中，振动噪声中各物理量的幅值大小及其频谱特性是衡量上述机电设备舒适性、隐蔽性及设计水平的重要指标。在国防工业领域，由于输出功率、作战能力等一系列的要求，坦克、军用直升机等武器装备的振动噪声往往比民用装备要大，过高的振动噪声会对指战员的精力以及操控精确性造成严重影响，从而导致作战效能下降，而对于潜艇等需要高隐蔽性的武器装备，过高的振动噪声不但影响作战效能，更会大幅增加暴露的风险，严重影响其水下生存能力。
小空间复杂结构存在于许多应用场景中。以小型水下航行器为例，它们主要依靠头段的声学换能器基阵来进行水声通信，而振动噪声对声学换能器基阵的声学性能有很大影响。水下航行器头段结构复杂、空间狭小，多种结构之间相互耦合，对减振降噪提出了很大挑战。声学黑洞结构2通过将振动集中到声学黑洞截断位置，然后再通过阻尼层耗散掉，可以达到良好的减振效果，而且不会增加结构的重量，也只需要很薄的一层阻尼材料，不会增加额外空间，与小空间复杂结构的减振要求完美匹配。因此可以使用声学黑洞结构2进行小空间复杂结构的减振设计。
在实际的工程应用中，传统减振措施需要较大的空间或者增加较多质量，难以应用于小空间复杂结构。为克服传统的被动振动控制技术存在的缺陷，许多新的振动控制技术得到了深入研究和发展，如主动振动控制技术、或主动结构声控制技术等。但由于主动控制技术需要一套包括传感器、作动器、控制器等在内的完整控制系统，在应用时往往面临着系统复杂、成本过高、体积较大等问题，也难以应用在小空间复杂结构中。近年来，声学黑洞(Acoustic Black Hole，ABH)作为一种新型的被动减振降噪方式得到了研究者的广泛关注。声学黑洞能够降低空气中声波或弹性固体结构中弯曲波传播的波速，在理想情况下波速降为零从而实现零反射，这种现象被称为声学黑洞效应。声学黑洞结构通过调整其自身厚度，将振动聚集到结构的截断处，在截断处铺设阻尼材料层，使阻尼材料对集中的能量进行耗散，从而达到结构振动抑制的目的。相比于传统的被动振动噪声控制技术和主动控制技术，声学黑洞结构与同尺寸的普通均质结构相比，结构质量减轻了很多，也不需要占据额外的空间，同时还有良好的减振效果，在小空间复杂结构减振中有着广阔的应用前景。目前广泛应用的声学黑洞结构主要在径向进行周期排布，这种结构的声学黑洞一般针对径向振动进行抑制，对于纵向的振动抑制效果不显著。
发明内容
为解决上述背景中存在的技术问题，本申请通过将圆柱体下表面接收到的弯曲波能量集中在声学黑洞构件上，并利用附在声学黑洞构件表面的阻尼层，实现振动能量的吸收与耗散，在不额外增加主体结构质量的前提下，实现有效减振。
为实现上述目的，本申请提供了一种多层周期声学黑洞减振结构，包括：圆柱体、声学黑洞构件和阻尼层；
所述圆柱体中分布有所述声学黑洞构件；
所述声学黑洞构件底部为所述阻尼层。
优选的，在所述圆柱体的水平方向设置三个周期的所述声学黑洞构件，垂直方向设置三个周期的所述声学黑洞构件。
优选的，通过有限元仿真模拟软件COMSOL Multiphysics对所述声学黑洞构件进行结构参数优化，得到所述声学黑洞构件的参数，所述参数包括：截断厚度、幂指数和有效长度。
优选的，得到所述声学黑洞构件的截断厚度的方法包括：建立不同截断厚度的二维声学黑洞结构模型，计算不同截断厚度的声学黑洞结构的振动响应，最终确定所述声学黑洞构件的截断厚度。
优选的，得到所述声学黑洞构件的幂指数的方法包括：建立不同幂指数的二维声学黑洞结构模型，计算不同幂指数的所述声学黑洞构件的振动响应，最终确定幂指数。
优选的，得到所述声学黑洞构件的有效长度的方法包括：建立不同有效长度的二维声学黑洞构件模型，计算不同有效长度的所述声学黑洞构件的振动响应，最终确定所述声学黑洞构件的有效长度。
优选的，所述圆柱体和所述声学黑洞构件材质为铝合金2A12；所述阻尼层采用厚度为3mm的圆柱形橡胶块，材料为丁基橡胶。
与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
本申请提供的基于声子晶体的多层周期声学黑洞减振结构，有效解决了小空间复杂结构环境下的振动抑制问题，此减振方案，在不增加原有系统质量的前提下，实现对振动的高效吸收，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面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是本申请的一些实施例，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为本申请实施例不同截断厚度声学黑洞构件能量聚集特性示意图；
图2为本申请实施例不同截断厚度声学黑洞构件的模态阻尼比；
图3为本申请实施例不同幂指数声学黑洞构件能量聚集特性；
图4为本申请实施例不同幂指数声学黑洞构件模态阻尼比；
图5为本申请实施例不同有效长度声学黑洞构件的能量聚集特性；
图6为本申请实施例不同有效长度声学黑洞构件的模态阻尼比；
图7为本申请实施例减振结构的立体结构示意图；
图8为本申请实施例减振结构声学黑洞分布结构示意图；
图9为本申请实施例减振结构中的阻尼层示意图；
图10为本申请实施例声学黑洞构件几何参数示意图；
图11为本申请实施例不同层数声学黑洞构件振级落差对比图；
图12为本申请实施例减振结构和无声学黑洞构件柱体振级落差对比图。
附图标记说明：1、圆柱体；2、声学黑洞构件；3、阻尼层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、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申请作进一步详细的说明。
如图8所示，为本实施例公开的一种多层周期声学黑洞减振结构，其结构包括：圆柱体1，在圆柱体1中分布的多个声学黑洞构件2，以及声学黑洞构件2底面的阻尼层3。
如图7所示，声学黑洞构件2均匀分布在圆柱体1内部。
如图9所示，阻尼层3结构为一个厚度为3mm的圆柱形橡胶块，其材料为丁基橡胶。
建立的二维声学黑洞结构剖面图如图10所示。声学黑洞的表达式为：
h(x)＝h0+εxm(m≥2,0＜x≤x1)
式中，h0为声学黑洞的截断厚度；m为幂指数；x1为声学黑洞的有效长度，它们是声学黑洞的主要几何参数。
考虑到圆柱体尺寸限制，因此在其水平方向设置三个周期的声学黑洞构件。在其垂直方向分别设置一个(3-1声学黑洞结构)、两个(3-2声学黑洞结构)和三个(3-3声学黑洞结构)周期的声学黑洞构件2。其中声学黑洞构件2的截断厚度、幂指数、有效长度以及粘贴的阻尼层厚度保持不变，只改变周期排列方式。在COMSOL有限元仿真软件中，新建模型向导，选择二维空间维度，选择固体力学物理场，选择频域进行研究，在模型开发器中，建立几何模型，设置材料参数，利用频域研究计算不同周期排列方式下声学黑洞板的振动响应，不同周期排列下的声学黑洞板振级落差曲线如图11所示。通过曲线可以看出，在垂直方向上设置三个周期声学黑洞构件2的减振效果最优。在本实施例中，选取圆柱体1高度为28mm，半径为166mm。在圆柱体1的壳半径水平方向设置三个周期的声学黑洞构件2，垂直方向设置三个声学黑洞构件2。
圆柱体1和声学黑洞构件2的材料为铝合金2A12，圆柱体1厚度为28mm。
通过有限元仿真模拟软件COMSOL Multiphysics进行结构参数优化，声学黑洞构件2的参数为：截断厚度0.5mm，幂指数4，有效长度100mm。具体步骤包括：
在仿真时，建立的圆柱体1模型尺寸为半径166mm，厚度28mm。
进一步，本申请给出多层周期声学黑洞减振结构的设计方法，包括以下步骤：
(1)建立不同截断厚度的二维声学黑洞结构模型，计算不同截断厚度的声学黑洞结构的振动响应，最终确定声学黑洞构件的截断厚度。
在COMSOL有限元仿真软件中，新建模型向导，选择二维空间维度，选择固体力学物理场，选择频域进行研究，在模型开发器中，建立几何模型，设置材料参数，利用频域研究计算不同截断厚度的声学黑洞构件2的振动响应，得到的不同截断厚度的声学黑洞构件2的能量聚集效率如图1所示，模态阻尼比如图2所示。图1表示三种不同截断厚度的二维声学黑洞构件2的能量聚集特性，表示在整个研究频率范围内的声学黑洞构件2所在区域在整个结构中的能量占比情况。发现截断厚度越小，能量聚集效率峰值对应的频率越低。说明声学黑洞构件2的截断厚度越小，其能够作用的频率下限也越低。比较能量聚集效率峰值个数，发现截断厚度越小，能量聚集效率峰值个数越多。说明声学黑洞构件2的截断厚度越小，其能够作用的频率越多。比较能量聚集效率峰值，发现截断厚度越小，大部分能量聚集效率峰值越高。说明声学黑洞构件2的截断厚度越小，其聚集能量的能力越强。从图2中可以看到随着截断厚度的减小，系统的模态损失因子得到显著提高。因此最终确定声学黑洞构件2的截断厚度为0.5mm。
(2)计算不同幂指数的声学黑洞构件的振动响应，最终确定幂指数。
在COMSOL有限元仿真软件中，新建模型向导，选择二维空间维度，选择固体力学物理场，选择频域进行研究，在模型开发器中，建立几何模型，设置材料参数，利用频域研究计算不同幂指数的声学黑洞构件2的振动响应，得到的不同幂指数的声学黑洞构件2的能量聚集效率如图3所示，模态阻尼比如图4所示。从图3可以看出，比较能量聚集效率峰值出现的频率，发现幂指数为4的声学黑洞构件2能量聚集效率峰值对应的频率最低。说明幂指数为4的声学黑洞构件2能够作用的频率下限低。比较能量聚集效率峰值个数，发现幂指数为4的声学黑洞构件2能量聚集效率峰值个数最多。说明幂指数为4的声学黑洞构件2能够作用的频率最多。比较能量聚集效率峰值，发现幂指数为4的声学黑洞构件2大部分能量聚集效率峰值最高。说明声学黑洞幂指数为4的声学黑洞构件2聚集能量的能力最强。图4可以看到，随着幂指数的增大，系统的模态损失因子得到显著提高。说明幂指数的增大可以有效提高系统阻尼特性，从而提升能量耗散能力。因此最终确定声学黑洞构件2的幂指数为4。
(3)建立不同有效长度的二维声学黑洞构件模型，计算不同有效长度的所述声学黑洞构件的振动响应，最终确定所述声学黑洞构件的有效长度。
在COMSOL有限元仿真软件中，新建模型向导，选择二维空间维度，选择固体力学物理场，选择频域进行研究，在模型开发器中，建立几何模型，设置材料参数，利用频域研究计算不同幂指数的声学黑洞构件2的振动响应，计算得到的不同有效长度的声学黑洞构件2的能量聚集效率如图5所示，模态阻尼比如图6所示。图5可以看出，比较能量聚集效率峰值出现的频率，发现有效长度越大，能量聚集效率峰值对应的频率越低。说明声学黑洞有效长度越大，能够作用的频率下限也越低。比较能量聚集效率峰值个数，发现有效长度越大，能量聚集效率峰值个数越多。说明声学黑洞有效长度越大，声学黑洞构件2能够作用的频率越多。比较能量聚集效率峰值，发现有效长度越小，对应的能量聚集效率峰值越高。图6可以看到随着有效长度的增大，系统的模态损失因子得到显著提高。说明有效长度的增大可以有效提高系统阻尼特性，从而提升能量耗散能力。因此最终确定声学黑洞的有效长度为100mm。
(4)改变圆柱体1水平方向和垂直方向的声学黑洞构件2的数量，比较不同数量下，多层周期声学黑洞减振结构的减振性能，最终选择圆柱体1半径方向上设置三个声学黑洞构件2，厚度方向上三个声学黑洞构件2。
实施例二
下面结合本实施例，来解释本申请的工作原理：
当外部振动传递到圆柱体1表面时，柱体下表面将振动向上传递，基于声子晶体的声学黑洞构件2进行周期排列后，可以在较大的频率范围增强声学黑洞构件2的减振效果。在减振结构区域，声学黑洞构件2利用声学黑洞效应，通过将振动能量集中到声学黑洞截断位置，在截断位置下表面铺设阻尼层3，然后再通过阻尼层3将聚集的振动能量耗散掉。
同时，本实施例还设计了一个相同尺寸但不包含声学黑洞构件2的参照圆柱进行对比研究。振动特性由图12可知，本实施例中基于声子晶体的多层周期声学黑洞减振结构表面的振动响应相比于相同尺寸的参照圆柱，在0-9000Hz整个分析频率范围内，声学黑洞构件2对应的振级落差绝大部分峰值高于均匀板结构，该频段内声学黑洞构件2板相比于均匀铝板，频点处的最大振级落差大22dB，在该频段内声学黑洞构件2板的平均振级落差比均匀铝板大3dB。具有突出的减振效果。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种多层周期声学黑洞减振结构，其特征在于，包括：圆柱体、声学黑洞构件和阻尼层；
所述圆柱体中分布有所述声学黑洞构件；
所述声学黑洞构件底部为所述阻尼层。
2.根据权利要求1所述的多层周期声学黑洞减振结构，其特征在于，在所述圆柱体的水平方向设置三个周期的所述声学黑洞构件，垂直方向设置三个周期的所述声学黑洞构件。
3.根据权利要求1所述的多层周期声学黑洞减振结构，其特征在于，通过有限元仿真模拟软件COMSOL Multiphysics对所述声学黑洞构件进行结构参数优化，得到所述声学黑洞构件的参数，所述参数包括：截断厚度、幂指数和有效长度。
4.根据权利要求3所述的多层周期声学黑洞减振结构，其特征在于，得到所述声学黑洞构件的截断厚度的方法包括：建立不同截断厚度的二维声学黑洞结构模型，计算不同截断厚度的声学黑洞结构的振动响应，最终确定所述声学黑洞构件的截断厚度。
5.根据权利要求3所述的多层周期声学黑洞减振结构，其特征在于，得到所述声学黑洞构件的幂指数的方法包括：建立不同幂指数的二维声学黑洞结构模型，计算不同幂指数的所述声学黑洞构件的振动响应，最终确定所述声学黑洞构件的幂指数。
6.根据权利要求3所述的多层周期声学黑洞减振结构，其特征在于，得到所述声学黑洞构件的有效长度的方法包括：建立不同有效长度的二维声学黑洞构件模型，计算不同有效长度的所述声学黑洞构件的振动响应，最终确定所述声学黑洞构件的有效长度。
7.根据权利要求1所述的多层周期声学黑洞减振结构，其特征在于，所述圆柱体和所述声学黑洞构件材质为铝合金2A12；所述阻尼层采用厚度为3mm的圆柱形橡胶块，材料为丁基橡胶。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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