【摘 要】
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船舶结构的减振降噪水平能极大影响船舶的工作性能,如何有效的提升减振降噪水平在船舶领域有重大意义。而声学黑洞作为一种连续变截面结构,拥有的渐变阻抗特性使得其能有效的控制弹性波,是一种新兴的减振结构。声子晶体是人工周期性复合结构,能产生弹性波带隙从而在对应频率获得较好的减振特性。为了进一步提升声学黑洞结构的减振性能以将其应用在船舶领域中,本文将声学黑洞与声子晶体相结合,以声学黑洞为原胞构建一种周期声学
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船舶结构的减振降噪水平能极大影响船舶的工作性能,如何有效的提升减振降噪水平在船舶领域有重大意义。而声学黑洞作为一种连续变截面结构,拥有的渐变阻抗特性使得其能有效的控制弹性波,是一种新兴的减振结构。声子晶体是人工周期性复合结构,能产生弹性波带隙从而在对应频率获得较好的减振特性。为了进一步提升声学黑洞结构的减振性能以将其应用在船舶领域中,本文将声学黑洞与声子晶体相结合,以声学黑洞为原胞构建一种周期声学黑洞结构,从声子晶体的角度研究周期声学黑洞结构的弯曲波带隙与振动特性,旨在提供一种新型减振措施以提高船舶结构抑制振动的能力。首先基于欧拉-伯努利梁理论开展了周期声学黑洞梁的弯曲波带隙的计算方法研究。针对周期声学黑洞梁结构这种一维声子晶体,分别采用传递矩阵法和平面波展开法对其带隙进行了计算,并将两种方法求解的带隙进行对比验证。利用传递矩阵法计算带隙时,考虑声学黑洞的变截面特性,将声学黑洞原胞等分成多个传递矩阵单元,并且选择结构的广义位移与内力作为初参数以降低计算量。平面波展开法是利用倒易空间与波矢空间的统一性,将声学黑洞结构、材料参数和位移解在波矢空间作Fourier级数展开,通过求解波动方程得到频散曲线。结果表明两种方法得到的带隙基本一致,相互验证了方法的准确性,并对两种方法进行了对比,为后面分析结构带隙特性提供了理论基础。根据给出的带隙计算方法计算了周期声学黑洞梁结构的弯曲波带隙,并采用有限元法对有限周期结构的振动传递特性进行了对比分析。选择周期恒定截面梁与周期楔形梁作为对比对象,验证了周期声学黑洞梁通过黑洞的能量聚集和声子晶体的散射机制抑制弯曲波传播的优势。分析了梁宽、周期数以及材料参数对结构带隙与减振特性的影响。并将阻尼引入声学黑洞梁的能量聚集区域,分析了阻尼层位置和厚度对振动特性的影响,提升了周期声学黑洞结构的耗能减振能力。为进一步拓宽周期声学黑洞结构的带隙范围,并使抑振频率可调控,将压电分流电路引入到周期声学黑洞梁中。压电材料具有机电转换能力,通过外接电路,结构的振动能量转换为电能而被消耗掉,因此减振能力得到提升。当电路中含有电感元件时,电路会产生谐振,周期声学黑洞结构会在对应频率产生局域共振带隙,弯曲波在该频带内传播时会受到极大程度的抑制。通过压电材料的压电方程,研究了压电分流电路产生局域共振带隙的机制并分析了不同电路结构和参数对结构带隙的影响,结果表明负电容的引入能有效拓宽局域共振带隙和衰减系数,能极大程度的提升黑洞梁结构的减振特性。板架结构是船舶结构中较为常见的结构,研究板架结构的减振性能对于提升船舶结构的减振性能具有很强的参考性,因此最后将周期声学黑洞拓展应用到板架结构中,采用有限元法分析板架结构的振动特性。对于薄板,将周期声学黑洞梁按一定间距敷设在板上形成周期声学黑洞梁的板架结构,将其与光板和由恒定截面梁组成的板架对比表明,黑洞梁板架结构在部分频带内的减振性能有很大的优势。对于厚度较厚的板,内部厚度周期减薄减形成周期声学黑洞板,分析表明该类板结构的振动衰减较为明显,为了提升结构的刚度,在声学黑洞板上敷设一定数量的加强筋,并通过对加筋结构的构型进行设计改进,使得加筋声学黑洞板结构在兼顾刚度的基础上时具有良好的减振能力。本文研究的周期声学黑洞梁与板架结构,综合了声学黑洞与声子晶体的优势,并引入了压电分流阻尼等新型减振措施,在相对较低的频带内具有较好的带隙特性与减振性能,为实际船舶工程中结构的减振提供指导,也为声学黑洞在实际船舶领域中的应用提供借鉴。
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