基于局域共振原理的薄板结构低频减振降噪研究

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汽车、飞机、高铁等交通工具在运行中普遍存在噪声超标问题,而现有的减振降噪措施如表面加筋、敷设阻尼材料、安装吸声结构等难以对以上各类厢体结构内的低频宽带噪声进行有效的抑制。声物理领域提出的局域共振结构为低频宽带减振降噪提供了新思路。类比局域共振原理,在梁、板结构上分布安装局域共振单元可以构成局域共振型结构来达到减振降噪效果。鉴于上述背景,本文开展对局域共振薄板结构低频减振降噪特性的研究,利用局域共振薄板结构实现厢体结构内低频宽带降噪效果。利用传递矩阵法计算分析局域共振梁结构中由振子的动态反作用力和反作用力矩产生的局域共振带隙特性,明确了宽带隙局域共振结构设计中应该采用对基体结构具有动态反作用力的振子形式。分析局域共振带隙用于抑制结构低阶模态振动的特性。研究发现,局域共振结构在局域共振带隙对应频段内出现的振动峰值极大破坏了带隙的宽频减振功能,对带隙边界外侧的两个振动峰值的有效抑制是局域共振结构形成低频宽带减振效果的关键。建立局域共振薄板结构中“基板-分布振子”对应的多自由度振动系统模型,基于模态叠加法求解局域共振薄板结构的特征值问题以及在外力激励下的振动响应。通过分析揭示分布振子的振动形态特征:在局域共振薄板振动峰值频率处,分布振子的振动形态与基板对应阶次的模态振型一致。基于分布振子的振动形态特性,在“基板-分布振子”多自由度振动系统中引入参考振子振动位移以及描述分布振子振动形态的振型矩阵,从而将多自由度振动系统缩减为简明形式的等效振动系统,结合动力吸振器不动点优化原理,提出局域共振薄板结构用于抑制宽频振动的分布振子参数优化公式,通过数值计算验证优化公式的有效性。分析振子的分布方式对减振特性的影响,研究发现在基板的每个模态位移最大点处安装振子是局域共振薄板结构用于宽频减振的振子最优分布方式。基于薄板结构远场声辐射理论,提出局域共振薄板结构辐射声功率和声辐射效率的计算方法。分析局域共振薄板结构声辐射特性,揭示局域共振薄板结构辐射声功率曲线中存在不动点特征。利用级数展开的数学方法并结合局域共振薄板结构等效振动系统表达式,建立描述局域共振薄板结构声辐射特性的等效声辐射系统模型。结合不动点特征,提出局域共振薄板结构抑制宽频声辐射的振子参数优化公式,通过数值计算验证优化公式的有效性。分析振子的分布方式对声辐射的影响,研究发现,针对薄板结构任意复杂模态振型,在基板的每个模态位移最大点处安装振子是局域共振薄板结构用于抑制宽频声辐射的振子最优分布方式。当局域共振薄板结构中的局域共振单元为薄膜振子,局域共振薄板结构在噪声环境中表现出吸声特性。基于模态叠加法提出含有薄膜振子的局域共振薄板结构的吸声系数计算方法。分析薄膜参数对局域共振薄板结构吸声系数的调控特性。研究发现,薄膜振子的多模态特性能够产生多个吸声峰值,减小薄膜张力、增加薄膜中心金属片质量、增加薄膜振子与背板的距离能够将局域共振薄板的吸声峰值向低频调谐,而增加薄膜的阻尼可以有效拓展吸声带宽。为进一步拓宽含薄膜振子的局域共振薄板结构的吸声带宽,提出局域共振薄板结构与穿孔板组合形成的复合吸声结构,通过理论和实验研究验证其低频宽带吸声特性。根据局域共振薄板结构低频减振降噪的理论分析结果,提出局域共振薄板结构用于厢体结构低频降噪的方案。根据实际工程中厢体结构声振特性,制备厢体结构实验件以及用于抑制低频声辐射和低频吸声的局域共振薄板实验件,将声源板设计成具有抑制振动和声辐射特性的局域共振薄板结构能有效降低声源板的振动及其向厢体内部传播的辐射声,实验测试结果表明该方法能够对厢体结构内部0-400Hz范围内的噪声达到平均19.8d B的降噪效果。将厢体结构非声源板设计成具有吸声特性的局域共振薄板进一步降低厢体结构内部噪声,噪声测试结果表明,以上局域共振薄板抑制声辐射和吸声的综合技术措施在0-500Hz范围内达到平均24d B的降噪效果。
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