聲學(xué)黑洞原理的雙層加筋板?腔系統(tǒng)降噪研究

王小東　季宏麗　裘進(jìn)浩

摘要： 雙層加筋板在現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具中被廣泛應(yīng)用，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的聲振抑制問(wèn)題一直是難點(diǎn)。聲學(xué)黑洞（ABH：?Acoustic Black Hole）作為一種新型的波操縱技術(shù)，為結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制提供了新思路。提出將ABH應(yīng)用于雙層加筋板中，開(kāi)發(fā)有良好機(jī)械特性，特別是能實(shí)現(xiàn)減振降噪的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)含有ABH的雙層加筋板?腔系統(tǒng)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并在點(diǎn)載荷激勵(lì)下進(jìn)行效果測(cè)試。結(jié)果表明截止頻率以上腔體的寬頻噪聲可降低1.5～8 dB。基于有限元方法建立耦合數(shù)值模型，多角度量化了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，分析揭示了ABH在腔室降噪中具有增加系統(tǒng)阻尼和降低內(nèi)壁板和聲腔的耦合強(qiáng)度的雙重物理機(jī)制。針對(duì)降噪效果欠佳的低頻段，提供優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，拓寬有效頻率，實(shí)現(xiàn)了全頻帶的控制。進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)雜載荷作用下ABH雙層加筋板?腔聲振系統(tǒng)的減噪普適性。

關(guān)鍵詞： 雙層加筋板;?聲學(xué)黑洞;?腔室降噪;?耦合分析;?寬頻

中圖分類(lèi)號(hào)： V214.9;?TB535 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號(hào)： 1004-4523（2022）02-0503-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.026

1 概??述

雙層加筋板以其良好的機(jī)械性能，被廣泛用于飛機(jī)、高鐵、汽車(chē)等交通運(yùn)輸工具的艙室結(jié)構(gòu)中。但隨著科技的發(fā)展，振動(dòng)噪聲品質(zhì)也成為除了機(jī)械性能以外，用來(lái)評(píng)估裝備性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。雙層加筋結(jié)構(gòu)在提升裝備機(jī)械性能同時(shí)所引入的聲振問(wèn)題極大地影響了設(shè)備的舒適性以及耐久性。而且鑒于現(xiàn)代裝備對(duì)質(zhì)量、功耗、頻帶寬度、可靠性的嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)減振降噪方法面臨著很大的挑戰(zhàn)，所以迫切需要開(kāi)發(fā)新理論和新技術(shù)來(lái)有效改善雙層加筋板應(yīng)用中的振動(dòng)噪聲控制問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射源于介質(zhì)中彈性波的形成與傳播，并與周?chē)穆晫W(xué)環(huán)境耦合產(chǎn)生相互作用。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)中彈性波的行為進(jìn)行操控是實(shí)現(xiàn)減振降噪的一種有效手段。聲學(xué)黑洞作為一種新型的波操縱技術(shù)，為新時(shí)代背景下的裝備振動(dòng)噪聲控制提供了可能，且由于其具有高效、輕質(zhì)、寬頻、可直接集成于系統(tǒng)等特性，倍受科研與工程技術(shù)人員的青睞，具有較大的應(yīng)用前景。

ABH的基本原理是借助結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻抗的變化，使結(jié)構(gòu)中傳播的彎曲波相速度和群速度發(fā)生改變，在結(jié)構(gòu)局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波能量的聚集，然后通過(guò)少量耗能材料進(jìn)行能量耗散。目前，實(shí)現(xiàn)ABH效應(yīng)的主要方式是通過(guò)結(jié)構(gòu)厚度的改變，即將結(jié)構(gòu)按照一定冪函數(shù)形式減小厚度（局部截面厚度滿(mǎn)足，其中是正有理數(shù)，是常數(shù)），形成類(lèi)似于透鏡的陷波器，如圖1所示。

理論上，當(dāng)ABH中心的厚度減小為零時(shí)，波速也為零，不會(huì)有反射現(xiàn)象。但是，實(shí)際實(shí)施過(guò)程中受結(jié)構(gòu)完整性的要求和加工條件的限制，中心的最小厚度不能減小到零，而是保留一定的截?cái)嗪穸?，因此需要在中心區(qū)域附加耗能材料，減小由于截?cái)鄬?dǎo)致的波的反射，以及完成能量的耗散。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞ABH的現(xiàn)象及應(yīng)用進(jìn)行了深入而全面的研究。文獻(xiàn)[8?9]分別通過(guò)半解析和傳遞矩陣法研究了一維ABH梁結(jié)構(gòu)特征行為;Huang等通過(guò)功率流和軌跡預(yù)測(cè)方法分析了二維ABH的能量聚集特性;文獻(xiàn)[12?14]利用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了阻尼材料對(duì)非完美ABH效應(yīng)的補(bǔ)償效果;賈秀嫻等借助有限元驗(yàn)證了ABH在板結(jié)構(gòu)中的減振能力;文獻(xiàn)[16?17]運(yùn)用波數(shù)分析手段探究了自由場(chǎng)中ABH結(jié)構(gòu)波數(shù)演變與降噪機(jī)制;Wang等則分析了ABH在板?腔系統(tǒng)輻射問(wèn)題中的耦合機(jī)理。在應(yīng)用方面，Bayod等和Bowyer等分別在渦輪風(fēng)扇葉片中設(shè)計(jì)ABH達(dá)到了振動(dòng)控制的目的;王小東等將ABH置于直升機(jī)駕駛艙后隔板，實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)降噪。

盡管諸多研究成果表明ABH在減振降噪方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，但是單一的ABH剛度和強(qiáng)度較低，承載性差，無(wú)法直接作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要部分。所以在實(shí)際工程中ABH的應(yīng)用受到了很大程度的限制。

本文針對(duì)雙層加筋板?腔系統(tǒng)的噪聲控制問(wèn)題，提出將ABH應(yīng)用于雙層加筋板的內(nèi)壁板中，在不影響原有結(jié)構(gòu)承載性的前提下，實(shí)現(xiàn)腔體的降噪。文中首先設(shè)計(jì)了含有ABH的雙層加筋板以及構(gòu)建聲?振力學(xué)系統(tǒng)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行效果測(cè)試。其次，基于有限元建立耦合數(shù)值模型，分析了ABH降噪的物理機(jī)制，并給出拓寬有效頻帶的設(shè)計(jì)方法。最后，驗(yàn)證復(fù)雜載荷作用下所提方案的普適性。