基于声学超材料的加筋板振动与声辐射控制

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加筋板结构具有质量轻、刚度大的特点,在船舶、飞机、列车等装备中都作为一种基础结构使用,其振动与声辐射控制问题一直以来是声学、力学、机械工程等学科领域关注的重要课题。加筋板结构的现有振动与噪声控制方法受质量、尺寸等限制,存在一定的局限性,因而需要进一步探索更多可行的减振降噪技术。近年来,声物理领域“局域共振型声学超材料”新概念的提出为解决加筋板等工程结构的振动噪声问题提供了新的思路。由于局域共振型声学超材料中共振单元的局域共振效应,使得其具有超常的声学特性和低频带隙特性。借鉴局域共振型声学超材料的思想,通过在杆、梁、板等传统工程结构上周期性地附加局域共振单元,可以构成一类局域共振型人工周期结构(简称为“局域共振型结构”)。已有研究表明,局域共振型结构中可以产生显著的带隙,利用这种带隙可以实现对结构振动与噪声的高效控制,具有广阔的应用前景。本文以工程中广泛使用的加筋板结构的减振降噪为需求牵引,将“局域共振型声学超材料”的思想引入加筋板设计,构建了一种新型的局域共振型加筋板结构,对其带隙特性及振动与声辐射特性展开了深入研究。论文主要研究工作和结论如下:1、基于有限元法,建立了局域共振型加筋板结构的带隙及振动与声辐射特性的数值计算方法,并通过有限元仿真验证了方法的有效性,为局域共振型加筋板结构的减振降噪特性研究奠定了基础。2、深入研究了局域共振型加筋板的带隙特性和减振特性,并利用优化算法开展了多频带隙设计研究。研究表明,在带隙频率范围内,加筋板的振动得到显著衰减,从而证实利用带隙特性实现加筋板减振的可行性;并进一步分析了局域共振型加筋板的带隙调控规律,包括弹簧刚度、振子质量和附加位置对带隙特性的影响,并开展了相关实验研究。此外,基于差分进化优化算法对局域共振型加筋板的多频带隙进行了优化设计,实现了加筋板结构的多频带隙近似耦合,有效地拓宽了带隙范围。3、分析了局域共振型加筋板的声辐射特性。研究表明,在带隙范围内加筋板结构的声辐射得到显著抑制,而且在局域共振带隙附近,由于弹簧的阻尼效应,声辐射也出现一定的衰减;此外,基于优化算法,在考虑阻尼的情况下对局域共振型加筋板结构进行了优化,使其具有宽频(多频)带隙特性,进而实现了宽频(多频)声辐射抑制。总之,本文较系统地研究了局域共振型加筋板的带隙和减振降噪特性,发现了有价值的现象,揭示了其带隙调控规律,并分析了其减振降噪性能,研究成果可为工程中加筋板的振动与噪声控制提供有益参考。
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