基于禁带特性的夹层结构设计与减振隔音分析

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夹层结构以其简单的构型、低廉的加工成本和优良的声振性能,在航空航天、高速列车和机械装备中被广泛应用。然而,这类结构低频噪声抑制能力不足、存在因共振效应和吻合效应等导致隔音减振性能下降的问题。声子晶体具有抑制或衰减弹性波的带隙特性,这种新颖的特性被纳入声学超材料范畴,诸如利用腔内空气振动的Helmholtz结构和使弯曲波趋于零的楔形尖端结构等在减振降噪领域拥有潜力。因此,本文在加筋夹板中分别引入声子晶体结构和构造楔形槽等,利用声波/弹性波带隙特性,以此实现夹层结构声振抑制能力的提升。全文研究内容包括:(1)基于禁带理论和声学方程,分别计算了二维和三维声波/弹性波带隙及其相应的声/振动传输损耗性能;构建声电类比等效模型和共振理论模型,等效理论解和仿真结果吻合度较高,误差分别不超过10%和5%,为后文计算分析提供有力的工具。(2)构建Helmholtz共振腔声学屏障,在中高频获得较好的隔声性能;参数化研究共振腔开口宽度对带隙的影响,发现主腔开口宽度对第一、第二带隙影响较大,而副腔开口宽度仅影响第二带隙。研究共振腔嵌入橡胶基体中的带隙和振动特性,获得频率低至574Hz的弹性波禁带,在带隙频段内减振效果显著;此外,芯体材料的密度和杨氏模量同时取值越大,越有利于获得低频宽带隙。(3)研究加筋夹板的声振抑制性能,发现筋条角度倾斜越明显,其声-结构作用面积越大,隔声效果越好。夹板内楔形槽能明显增加结构中高频段的降噪效果,然而,开槽深度的影响有限。(4)在夹板内引入嵌入型、贯穿型和附加型声子晶体,形成的复合结构在中高隔音和低频减振效果明显。其中,嵌入型整体隔声效果最好,而贯穿型减振效果最好。复合结构之所以表现出优越的声振抑制特性,是由于引入声子晶体后,一方面上下面板阻隔大量声波的进入;另一方面,弹性波带隙抑制结构的振动,避免结构额外产生和辐射声波。在夹板和共振腔间做微孔连接设计,能在不同程度改善夹板的低、中、高频段的降噪性能。特别是140Hz以下低频噪声的衰减量,平均值较纯夹板增加8.1d B。本文从理论分析、结构设计、数值计算、对比验证、类比等效和实验研究等方面对声子晶体夹层结构的声振抑制性能进行全频段的减振隔音分析,丰富了共振腔型声子晶体在夹层板中具体应用。所设计的组合结构合理引用了声学超材料的新概念、新机理等特征,改善了传统夹板的声振抑制不足的问题,为实际应用中的减振降噪提供指导和参考。
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