阵列组合体声学黑洞结构减振性能研究

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工程装备向着轻质、大型、高速和极端运行环境等方面发展(如航空航天运载工具等),使得高频振动噪声问题日趋严重,其已成为约束我国重大装备性能提升的重要因素之一。声学黑洞作为一种现代化新型且高效的波动控制技术,在梁板结构的振动控制中被广泛应用。声学黑洞结构的有效作用频率在截止频率以上,而截止频率与声学黑洞结构的特征尺寸有关,特征尺寸越大,截止频率越低。这就意味着要向下拓宽声学黑洞结构的有效作用频率,需要将黑洞部分的尺寸放大。而这会使整体结构局部强度和刚度减弱。近年来,有学者研究了阵列排布的声学黑洞结构,证明其可以向下拓宽声学黑洞结构的有效作用频率。但阵列排布的声学黑洞结构主要集中于降噪领域,对减振领域的作用效果和作用规律有待深入研究。本文系统地研究了单个声学黑洞的空间作用范围和频率作用范围;阵列式声学黑洞的排列参数对空间作用范围和频率作用范围的影响;结合传统声学黑洞结构与阵列式排布声学黑洞结构的特点,设计了两种新型声学黑洞组合体结构,并对其减振性能做了分析,验证其可行性的同时也给新型声学黑洞的结构设计与应用提供了一种新的思路。本文的主要研究内容和创新成果如下:(1)对于传统的单个声学黑洞结构,研究了不同结构参数对于其减振性能的影响。首先研究了嵌有声学黑洞的平板结构中,平板的边界反射对分析声学黑洞空间作用范围的影响,从而找出合理的平板尺寸,以避免边界反射对后续研究结果的影响;接着研究了不同幂指数对于单个声学黑洞结构的频率作用范围和空间作用范围的影响。结果表明,不同板结构大小会影响声学黑洞的减振效果,但当板足够大时,声学黑洞将不会再受板边界反射的影响。在幂指数函数形式下的声学黑洞结构中,指数越大,声学黑洞的能量聚集效果越为出色;在不同幂指数单个声学黑洞结构中,幂指数越大则声学黑洞的作用范围就越大。(2)针对阵列式排布的声学黑洞结构,通过改变阵列式排布声学黑洞结构的阵列个数、排布方式、排布间距三个结构参数,对不同频率下不同结构参数的阵列式声学黑洞结构的减振性能做了研究,并对其频率作用范围与空间作用范围做了具体分析。结果表明:在不同阵列个数的阵列式声学黑洞结构中,阵列式3x3排布声学黑洞结构与阵列式4x4排布声学黑洞结构的作用频率范围相差不大且均大于阵列式2×2排布声学黑洞结构;在不同排布方式的阵列式声学黑洞结构中,正方形阵列式排布声学黑洞结构的作用频率范围大于由字型阵列式排布声学黑洞结构;在不同排布间距的阵列式声学黑洞结构中,间距为0.001m的阵列式排布的声学黑洞结构的作用频率范围大于间距为0.011m的阵列式排布的声学黑洞结构。改变阵列式排布声学黑洞的结构参数也会影响声学黑洞的空间作用范围。在不同阵列个数中,阵列个数阵列式3×3排布的声学黑洞结构影响作用范围为最大;在不同排布间距中,间距为0.011m的阵列式排布的声学黑洞结构的空间作用范围更大;而不同排布方式对于声学黑洞作用范围影响差别不大。(3)结合单个声学黑洞结构与阵列式排布声学黑洞结构的特点,设计了两种声学黑洞组合体结构,并通过振动速度级与振动功率流两个评价指标对两种结构的减振特性进行分析。结果表明,两种声学黑洞组合体结构在一定的频率范围内能量聚集效应与减振性能优于其他声学黑洞结构,拓宽了声学黑洞结构的设计方式与方法,给新型声学黑洞的结构设计应用提供了一种新的思路。
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