一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板

1.本发明属于结构减振降噪技术领域，具体涉及一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板。

背景技术：

2.在工业生产当中，经常会伴有噪声以及振动的出现。不良的振动和噪声会影响生产装备的工作性能、精度、效率以及安全性、可靠性和使用寿命。同时过高的噪声还会干扰语言交流，影响工作效率，使人体听力受损，甚至引起意外事故。在工业生产中，进行减振降噪处理，是提高生产效率，改善产品精度，保障生产人员身体健康的重要举措。
3.相消干涉是在当两列弹性波传输到介质中同一个点时，如果两声波在该点产生的振动特性是反相的，则在这个点的振动就会相互作用减弱甚至消除，这种现象即为相消干涉，其对于弹性波的操控示意图如图4所示，从左侧射入的弹性波被相消干涉结构一分为二，通过设计波程，使得一个波的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点，称两波在该点反相，干涉波会产生最小的振幅，使得右侧输出的弹性波波长振幅减小，达到减振抗噪的结果。在实际应用当中，即使两列波的波峰与波谷部分重合也会达到降低振幅的效果。
4.声学黑洞效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化，使波在结构中的传播速度逐渐减小，理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象。在固体介质中传播的弯曲波会随着厚度的减小，其相应的相速度和速度也减小，当传播到靠近声学黑洞楔形边缘时，累积相位将会达到无穷大，初始传播方向指向黑洞中心的波的传播速度逐渐减小，而偏离黑洞中心的波将向黑洞中心偏转，在理想情况下弯曲波都将被聚集到黑洞中心位置，且传播速度降为零，从而实现波的操控与俘获，甚至实现波的全吸收。声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点，在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，通过对弹性波的操控实现弹性波的减弱或者消除，从而利用含有周期声学黑洞结构的六角形晶胞实现减振降噪。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，包括声学黑洞结构、相消干涉结构及连接结构，所述相消干涉结构两端分别连接有声学黑洞结构组成减振降噪单元，多个减振降噪单元呈矩阵式排布，位于同一行的相邻减振降噪单元之间通过连接块连接，相邻列之间的减振降噪单元通过连接结构连接。
8.所述声学黑洞结构的弯曲部分粘贴阻尼层和/或吸声层,当阻尼层和吸声层都粘贴时，先在声学黑洞结构的弯曲部分粘贴阻尼层，然后再阻尼层上粘贴吸声层。
9.所述阻尼材料为高聚物或聚合物。
10.所述吸声材料为纤维状吸声材料、颗粒状吸声材料或泡沫状吸声材料。
11.所述相消干涉结构由两段不同波程的结构组成(两侧结构是波程不同的拱形)，它们的波程差为弹性波半波长的奇数倍时吸声效果最好。
12.所述声学黑洞结构、相消干涉结构及连接结构的周期阵列方式以及数量可以根据实际工况进行调整。
13.所述相消干涉结构可以根据需要设计成拱形或多边形。它们的波程可以根据实际减振需求进行改变。
14.所述声学黑洞结构可以根据需要设计成多种曲线形状，但声学黑洞结构的曲线形状需要满足h(x)＝εxm，其中指数m≥2，曲线之间的间距由实际情况决定。
15.本发明的技术效果为：
16.本发明减振降噪板将入射到板内的弹性波通过相消干涉结构将其分为两列弹性波，使得一个波的波峰与另一波的波谷部分抵消或者完全抵消，从而使得干涉波会产生最小的振幅，同时还采用声学黑洞结构俘获未能通过相消干涉抵消的弹性波能量，实现了超宽频域的良好减振效果。
17.本发明减振降噪板减轻了结构的重量，实现了减振抗噪结构的轻量化。
附图说明
18.图1为本发明的一种基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板示意图；
19.图2为本发明的一种基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板结构俯视图；
20.图3为本发明的一种基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板局部结构示意图；
21.图4为本发明的一种基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板中相消干涉结构对弹性波进行操控的示意图；
22.图5为本发明的一种基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板的隔振效果仿真模拟图；
23.1-声学黑洞结构，2-相消干涉结构，3-连接结构，4-连接块，5-u型连接块。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
25.如图1至图4所示，一种基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板，包括周期性排布的声学黑洞结构1和相消干涉结构2，所述相消干涉结构2两端分别连接有声学黑洞结构1组成减振降噪单元，本实施例中，位于同一行的相邻减振降噪单元之间通过连接块4连接，两列之间的减振降噪单元通过连接结构3连接，且连接结构3位于上下连接块4之间，同时上下相消干涉结构2的凸弧面相对设置，两列之间位于端部的声学黑洞结构1之间通过u型连接块5连接，进而组成减振降噪单体，相邻列的减振降噪单体之间通过连接结构3连接，且连接结构3位于上下相消干涉结构2之间。本实施例中连接结构3为连接柱。通过对于降噪板内传播的弹性波的操控，从而实现减振抗噪。减振降噪板可以根据材料的选择而采用增材制造或机械加工的方法，易加工，可靠性高。
26.将入射到板内的弹性波通过相消干涉结构将其分为两列弹性波，使得一个波的波
峰与另一波的波谷部分抵消或者完全抵消，进而通过对于减振降噪板内传播的弹性波的操控，从而使得干涉波会产生最小的振幅，而实现减振降噪的目的。
27.为了充分利用空间，将减振降噪板由多个减振降噪单元组成，多个减振降噪单元呈周期性排列。对于不同减振抗噪结构之间的连接，采用连接结构3进行连接。使其结构更加紧凑，有利于达到更好的减振降噪效果。
28.所述声学黑洞结构1的弯曲部分粘贴阻尼层和/或吸声层，当阻尼层和吸声层都粘贴时，先在声学黑洞结构1的弯曲部分粘贴阻尼层，然后再阻尼层上粘贴吸声层，从而实现更好的吸振效果。
29.所述阻尼材料包括高聚物或聚合物。
30.所述吸声材料包括纤维状吸声材料、颗粒状吸声材料或泡沫状吸声材料。
31.所述相消干涉结构2由两段不同波程的结构组成(两侧结构是波程不同的拱形)，它们的波程差为弹性波半波长的奇数倍时吸声效果最好。
32.所述声学黑洞结构1、相消干涉结构2及连接结构3的周期阵列方式以及数量可以根据实际工况进行调整。
33.所述相消干涉结构2可以根据需要设计成拱形或多边形。它们的波程可以根据实际减振需求进行改变。
34.所述声学黑洞结构1可以根据需要设计成多种曲线形状，但声学黑洞结构1的曲线形状需要满足h(x)＝εxm，其中指数m≥2，曲线之间的间距由实际情况决定。
35.通过仿真验证一种基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板的有效性，具体方法如下：
36.步骤1，构建计算模型
37.在兼顾计算准确性与计算效率的情况下，我们选取图2所示结构进行仿真计算，降噪板结构的尺寸为300
×
80
×
10mm，降噪板材料采用铝材；声学黑洞结构1曲线形状取h(x)＝32.699
×
x
2.2
，相消干涉结构2的两侧结构波程差为1mm，曲线形状同声学黑洞结构1曲线；
38.步骤2、建模仿真
39.使用comsol软件对结构进行建模仿真，计算结构对于减振抗噪分析，其中，comsol是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,具有用途广泛、灵活、易用的特性，涵盖力学、电磁场、流体、传热、声学等多个专业模块；将减振抗噪板进行固定，降噪板上侧为输入口，用于输入激励源，下侧为输出口，在0-50000hz情况下进行参数化扫描，输出口通过布置压电片收集结果；
40.步骤3、计算结果分析
41.测量减振降噪板上下侧弹性波振幅，其中aout与ain分别为输出端与输入端振幅，绘制20log10(aout/ain)曲线如图5所示，并对结果进行分析；从图中可以看出，在150hz-50000hz范围内，所设计的减振降噪板具有良好的弹性波吸收能力，输出端弹性波振幅明显小于输入端，实现了较宽频段的减振降噪性能。
42.除了以上提出的实例，基于相消干涉和声学黑洞结构的减振降噪板的晶格、材料、结构参数均可以变化。上面结合附图对本发明的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

技术特征：

1.一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，其特征在于，包括声学黑洞结构、相消干涉结构及连接结构，所述相消干涉结构两端分别连接有声学黑洞结构组成减振降噪单元，多个减振降噪单元呈矩阵式排布，位于同一行的相邻减振降噪单元之间通过连接块连接，相邻列之间的减振降噪单元通过连接结构连接。2.根据权利要求1所述的一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，其特征在于：所述声学黑洞结构的弯曲部分粘贴阻尼层和/或吸声层,当阻尼层和吸声层都粘贴时，先在声学黑洞结构的弯曲部分粘贴阻尼层，然后再阻尼层上粘贴吸声层。3.根据权利要求2所述的一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，其特征在于：所述阻尼材料为高聚物或聚合物。4.根据权利要求2所述的一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，其特征在于：所述吸声材料为纤维状吸声材料、颗粒状吸声材料或泡沫状吸声材料。5.根据权利要求1所述的一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，其特征在于：所述相消干涉结构由两段不同波程的结构组成。6.根据权利要求1所述的一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，其特征在于：所述相消干涉结构可以根据需要设计成拱形或多边形。7.根据权利要求1所述的一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，其特征在于：所述声学黑洞结构可以根据需要设计成多种曲线形状，但声学黑洞结构的曲线形状需要满足h(x)＝εx
m
，其中指数m≥2，曲线之间的间距由实际情况决定。

技术总结

一种基于相消干涉和声学黑洞结构减振降噪板，属于结构减振降噪技术领域，包括声学黑洞结构、相消干涉结构及连接结构，所述相消干涉结构两端分别连接有声学黑洞结构组成减振降噪单元，多个减振降噪单元呈矩阵式排布，位于同一行的相邻减振降噪单元之间通过连接块连接，相邻列之间的减振降噪单元通过连接结构连接。本发明减振降噪板将入射到板内的弹性波通过相消干涉结构将其分为两列弹性波，使得一个波的波峰与另一波的波谷部分抵消或者完全抵消，从而使得干涉波会产生最小的振幅，同时还采用声学黑洞结构俘获未能通过相消干涉抵消的弹性波能量，实现了超宽频域的良好减振效果。果。果。