【摘 要】
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声黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)结构是指一种厚度尺寸按特定幂指数规律变化的结构,具有将振动能量“聚焦”于结构内某一局部区域的特性。这一特性与传统结构振动抑制方法相结合后,具有在特定区域附加少量质量达到有效结构减振的潜力,因而近年来受到广泛关注。理论上,ABH结构实现理想聚焦效果的前提是结构在振动波传播方向上的特征尺寸要显著大于波长。由于实际工程结构尺寸有限,ABH结构应用于
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声黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)结构是指一种厚度尺寸按特定幂指数规律变化的结构,具有将振动能量“聚焦”于结构内某一局部区域的特性。这一特性与传统结构振动抑制方法相结合后,具有在特定区域附加少量质量达到有效结构减振的潜力,因而近年来受到广泛关注。理论上,ABH结构实现理想聚焦效果的前提是结构在振动波传播方向上的特征尺寸要显著大于波长。由于实际工程结构尺寸有限,ABH结构应用于实际梁板构件时在低频区域的聚焦作用会有所减弱。同时,阻尼层减振的有效性亦随频率降低而减弱,从而限制了ABH结构与阻尼层相结合方法的低频减振效果。作为另一种经典减振降噪措施之一的动力吸振器(Dynamic Vibration Absorber,DVA),具有安放位置灵活,调谐频率可设计性强,控制频带有针对性的特点。可以预见,将ABH结构的宽频段聚焦特性与DVA有效抑制任意调谐频率振动响应的优点相结合,有望实现有效宽频减振。为此,本文创新性地提出了将ABH结构和分布式DVA相结合的结构振动抑制方法,其基本思路是将一到多个DVA对应布置于一到多个ABH结构聚焦位置或附近,从而将典型的单频-窄带DVA减振措施拓展到多频-宽带应用。解决这一问题的核心在于研究ABH结构在不同频段的聚焦特性受实际工程结构有限尺寸的影响,以及ABH结构与DVA参数间的协调设计。针对这一关键问题,本文对ABH-DVA组合结构的聚焦效果、减振特性及其工程应用等问题进行了系统地研究。本文主要工作及结果如下:1.基于传递矩阵法建立了集成一维ABH结构的ABH-DVA组合梁的动力学解析模型。研究了ABH梁的聚焦特性、ABH-DVA组合梁的减振特性以及DVA的放置位置对减振效果的影响。提出并定义了特定区域振动响应聚焦比的概念,用于量化研究ABH特征长度及频率变化对ABH梁结构聚焦效果、聚焦区域的影响程度。系统分析了不同频率条件下均匀厚度梁、ABH梁以及两种梁结构附加DVA后的振动特性。解析模型计算结果表明,在大于600 Hz直至6 k Hz的频率段内,ABH梁结构尖端10mm区域内的聚焦比高达0.9。当DVA调谐频率为294 Hz并置于ABH梁聚焦区域时,与附加DVA的均匀厚度梁相比,ABH-DVA组合梁在0-3 k Hz范围内的总平均振动响应值降低了19.4d B。2.基于有限元法和射线声学理论建立了集成单个二维ABH结构的板和集成多个分布式二维ABH结构的板在不同频段的聚焦特性分析模型。通过有限元模型,利用特定区域振动响应聚焦比概念探究了振动激励频率、激励位置、ABH结构特征长度和板结构尺寸等因素对聚焦特性的影响。基于射线声学理论计算了声波在ABH板中的传播轨迹,预测了声波的聚焦位置,并与有限元计算的振动响应聚焦位置进行了对比分析。结果表明,ABH结构特征长度越长,聚焦效果越好;板结构尺寸越大,聚焦作用的稳定性越好。但聚焦比随频率的变化趋势与ABH结构特征长度及板结构尺寸无关。此外,射线声学理论分析结果还表明,ABH结构的聚焦位置受声波的入射角度影响较大,而受激励频率值的影响甚微。这一结果直接验证了ABH结构的宽频聚焦特性。3.建立并实验验证了ABH-DVA组合板结构的有限元振动分析模型。利用该模型,进一步研究了分布式ABH-DVA组合板减振设计方法,分析了ABH-DVA组合结构的数量,附加质量,及DVA布置位置对包括低频段在内的板结构宽频减振效果的影响。结果表明,当针对低频窄带设计时,与不含DVA的传统均匀厚度板相比,含有6个ABHDVA的组合板结构总质量减轻13.9%,且在60-220 Hz内的总振动幅值降低4.7 d B,振动峰值衰减了23.8 d B。当针对宽频带设计时,与未集成DVA的均匀厚度板相比,ABHDVA组合板结构在0-4 k Hz内的减振效果提高了42.6 d B。4.针对气缸罩盖结构宽频减振降噪的需求,根据本文提出的ABH-DVA组合结构的减振设计方法和理论,设计了分布式ABH气缸罩盖-DVA组合结构,并通过有限元模型分析了其减振效果。由于气缸罩盖的表面振动特性直接决定了其结构噪声辐射的大小,作为一个应用案例,本文还结合边界元法进一步分析了ABH气缸罩盖-DVA组合结构的降噪效果。模型分析结果表明,相比附加DVA的原始气缸罩盖,ABH气缸罩盖-DVA组合结构在0-4 k Hz内的振动响应水平降低了约9.1 d B,辐射噪声功率级降低了12.0 d B。
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