基于声学黑洞的复合阻波基座宽带减振性能研究及低频优化

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随着技术的发展,船舶工业对振动和噪声品质提出了更高的要求。一些设备不宜有较大的位移,常采用基座保证设备的安装,同时也能对动力机械产生的振动进行隔离和阻波。本文提出一种新的复合阻波基座,综合利用声学黑洞的能量聚集效应、阻振质量的阻抗失配原理及阻尼减振技术,在振动传递路径中对弯曲波进行控制和振动能的耗散。本文利用几何声学方法分析了声学黑洞能量聚集原理和声学黑洞阻尼结构的减振原理,基于理论公式,通过MATLAB进行了数值计算,分析了声学黑洞结构参数和薄板厚度对声学黑洞区域的折射率和传播轨迹的影响。结构参数对折射率与传播轨迹的的影响是一致的,更大的半径、幂律和板厚,更小的截断厚度,都是有利于声学黑洞对弯曲波的聚集和操控的。采用理论和有限元方法验证了声学黑洞薄板的能量聚集特性和对弯曲波的操控能力,利用有限元软件COMSOL对理想和非理想声学黑洞薄板进行了计算,分析对比了理想和非理想声学黑洞薄板的减振效果。通过改变声学黑洞特征参数和材料参数,探究了各参数对非理想声学黑洞减振效果的影响。在薄板结构中引入阻振质量,分析复合阻波方法的减振性能。结果表明,阻振质量对弯曲波的反射会提高声学黑洞的聚波效果,将声学黑洞、阻尼与阻振质量结合可获得最好的减振效果。单一减振手段下基座难以获得较好的减振性能,将声学黑洞与阻尼结合布置在基座结构中,声学黑洞与阻尼结合对振动波的能量耗散有一定作用,但是效果并不理想。将声学黑洞、阻尼和阻振质量三种减振手段结合,并分析单级阻振与双级阻振复合阻波基座的减振效果。研究结果表明,复合阻波基座在100 Hz~10 k Hz范围的平均加速度级可降低5 d B,当结构模态振型在声学黑洞局部区域时,结构的损耗因子会增大,从声学黑洞局部第1阶固有频率附近开始,复合阻波基座的减振性能提高,表明低阶声学黑洞局部模态与声学黑洞在低频下的减振性能是有关的。对声学黑洞复合阻波基座的低频减振性能进行进一步的优化设计。通过对声学黑洞-阻尼结构参数进行优化,优化后的复合阻波基座在100 Hz~400 Hz低频范围加速度级降低0.65 d B,峰值处的加速度级降低达到了9.47 d B。通过对复合阻波基座在低频减振性能的优化,提高了复合阻波基座在低频下的减振性能,对其在实际工程应用中有重要价值。最后开发了基于几何声学理论的声学黑洞特性计算程序和基于有限元的复合阻波支撑结构动态特性计算程序。
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