基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置及设计方法

本发明属于板结构减振降噪，具体涉及一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置及设计方法。

背景技术：

1、随着航空航天器、水下航行器、高速列车等载运装备向大型化、轻量化、高速化方向发展，对其运行过程中的振动和噪声水平有越来越严格的要求。板类结构作为这些载运装备的重要组成部件，其在运行过程中，会产生振动并向周围环境辐射噪声。因此，有效抑制板类结构的振动和声辐射，对提高载运装备运行效能、提升电子器件的可靠性和使用寿命、保证舱内人员舒适性以及降低生活环境中的噪音等具有重要意义。板类结构的减振降噪也一直是工程和学术领域的关注热点。

2、传统的减振降噪方法包括在板上设计筋条或阻振质量以降低振动速度、粘贴自由或约束阻尼层来耗散振动能量、附加动力吸振器等被动控制方法，以及根据反馈响应由作动器对结构施加次级激励以实现振动抵消的主动控制方法。然而，引入筋条或者阻振质量的有效性较差，且与动力吸振器一样存在作用频带窄的问题。阻尼减振方法虽简单可行，但低频减振降噪效果不佳，且大范围的敷设阻尼极大地增加了结构质量，无法满足轻量化的设计要求。主动控制方法能在一定程度上弥补被动方法的局限性，但需要大量的外部能源输入，结构复杂，成本较高，目前仍处于实验室研究阶段。

3、近年来提出的“超材料”和“超结构”，具有非凡的调控波的能力，从波调控的角度为结构减振降噪提供了一种新的手段。利用超结构产生带隙来抑制弹性波在结构中的传播，从而可以实现此频段内的振动与声辐射抑制。现有的利用超结构板进行减振降噪的设计，往往在板上分布具有相同共振频率的局域共振单元，这导致超结构板仅能在非常窄的局域共振带隙内抑制结构振动和声辐射。同时，这种周期性分布的局域共振单元，刚度往往较低，导致超结构板的承载能力较弱。这些问题限制了此类超结构板在实际工程中的应用。

技术实现思路

1、为解决现有超结构板减振降噪频带较窄，所设计的局域共振单元往往无法承载的问题，本发明提出一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置及设计方法。

2、彩虹捕获结构与传统周期性超结构的区别是其单胞结构参数沿波传播方向梯度变化。这种梯度结构仍具有传统周期性超结构的带隙特性，且带隙范围更宽。同时，不同频率的入射波被捕获在不同的空间位置，无法向前传播，类似于复色光经过折射后产生彩虹，所以称之为彩虹捕获结构。彩虹捕获结构将不同频率的波捕获在不同位置，即空间分频，是彩虹捕获效应的一大特征，另一重要特征是彩虹捕获结构中波的传播速度逐渐降低，导致捕获位置附近波的能量显著增强。

3、本发明的技术方案为：

4、所述一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置，包括均匀基板和固定在基板上的若干圆环形单胞；

5、所述圆环形单胞具有相同的环心，且由内向外，圆环形单胞高度从低到高分布；

6、通过调整圆环形单胞的厚度、高度和相邻圆环形单胞的间距，使得圆环形单胞整体的局域共振带隙所形成的宽频彩虹捕获频带包含目标减振降噪频带。

7、进一步的，所有圆环形单胞的径向厚度相同；相邻圆环形单胞的间距相同；相邻圆环形单胞的高度变化量相同。

8、进一步的，所述圆环形单胞采用低固有损耗的材料制备。

9、进一步的，所述均匀基板采用金属材质，所述圆环形单胞采用低固有损耗树脂材料3d打印形成在均匀基板上。

10、进一步的，所述超结构板装置安装在振动源上时，振动源位于最内侧圆环形单胞的内部区域。

11、所述超结构板装置的设计方法，包括以下步骤：

12、步骤1：获取需要减振降噪的目标频带，并设计均匀基板的形状和尺寸；

13、步骤2：根据步骤1设计的均匀基板形状与尺寸，确定圆环形单胞的最大内直径；并基于所述最大内直径，构建第一圆环形单胞的轴对称有限元模型，基于所述第一圆环形单胞的轴对称有限元模型，计算色散曲线；根据色散曲线，对所述第一圆环形单胞的径向厚度、高度以及单胞间距离进行设计调整，使所述第一圆环形单胞的第一阶局域共振带隙的起始频率与所述目标频带的起始频率相同；以所述第一圆环形单胞的径向厚度作为所有圆环形单胞的径向厚度；

14、步骤3：按照步骤2得到的圆环形单胞的径向厚度和单胞间距离，以及所述第一圆环形单胞的高度，确定均匀基板中能够放置的单胞个数，以及每个圆环形单胞的内直径；

15、步骤4：根据步骤3得到的各个圆环形单胞的内直径，以及圆环形单胞的径向厚度和单胞间距离，结合步骤1设计的均匀基板参数，并给定相邻圆环形单胞间的高度变化量初始值，建立超结构板装置初始模型；

16、步骤5：在所述超结构板装置初始模型中的单胞中心位置施加扫频激励仿真，扫频激励的频带包含为目标频带，仿真获取最小单胞环内区域弯曲波能量ei以及最大单胞环外区域弯曲波能量eo，计算能量传递率a＝10lg(eo/ei)，若a小于设定阈值，则参数确定完毕，设计得到超结构板装置，否则调整高度变化量，返回步骤4。

17、进一步的，步骤3中，所述能够放置的单胞个数不小于8个，若小于8个，则返回步骤2，重新设计所述第一圆环形单胞的径向厚度、高度以及单胞间距离。

18、进一步的，步骤2计算色散曲线时，忽略固有损耗。

19、进一步的，步骤5中，设定高度变化量的允许范围，如果高度变化量在允许范围内均无法满足a小于设定阈值的要求，则返回步骤2，重新设计所述第一圆环形单胞的径向厚度、高度以及单胞间距离。

20、有益效果

21、本发明提出一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置及其设计方法，在均匀基板上附加高度梯度变化的圆环形单胞，根据振动和声辐射抑制的目标频带进行圆环形单胞结构参数设计，使其在目标频带内具有彩虹捕获效应，从而产生宽频局域共振带隙，使得带隙范围内的振动被局域在附加圆环单胞的区域和环内区域，而无法传递到超结构板的外围区域。振动能量局限在特定区域使得超结构板整体的振动水平相较于对应的均匀板有所降低。

22、此外，由于彩虹捕获效应的慢波特性和捕获位置附近的能量增强现象，使得圆环结构本身极低的固有损耗便能极大地耗散振动能量，而不需要引入额外的阻尼材料。这种增强的阻尼耗散，使得宽频范围内超结构板的振动能量进一步地显著降低，从而导致宽频范围内的结构声辐射水平也显著降低。

23、并且附加圆环形单胞这一设计形式，不会破坏原有主体结构，而且还相当于环形加强筋，能够增加结构刚度，在实现宽频范围内板的振动与声辐射抑制时，兼具了承载的功能。

24、本发明提出的超结构板结构简单，易于设计，方便加工，从弯曲波调控的角度，为板类结构的减振降噪提供了一种全新的手段，具有广阔的工程应用前景。

25、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置，其特征在于：包括均匀基板和固定在基板上的若干圆环形单胞；

2.根据权利要求1所述一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置，其特征在于：所有圆环形单胞的径向厚度相同；相邻圆环形单胞的间距相同；相邻圆环形单胞的高度变化量相同。

3.根据权利要求1所述一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置，其特征在于：所述圆环形单胞采用低固有损耗的材料制备。

4.根据权利要求3所述一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置，其特征在于：所述均匀基板采用金属材质，所述圆环形单胞采用低固有损耗树脂材料3d打印形成在均匀基板上。

5.根据权利要求1所述一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置，其特征在于：所述超结构板装置安装在振动源上时，振动源位于最内侧圆环形单胞的内部区域。

6.一种权利要求2所述超结构板装置的设计方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤3中，所述能够放置的单胞个数不小于8个，若小于8个，则返回步骤2，重新设计所述第一圆环形单胞的径向厚度、高度以及单胞间距离。

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤2计算色散曲线时，忽略固有损耗。

9.根据权利要求6所述方法，其特征在于：步骤5中，设定高度变化量的允许范围，如果高度变化量在允许范围内均无法满足a小于设定阈值的要求，则返回步骤2，重新设计所述第一圆环形单胞的径向厚度、高度以及单胞间距离。

技术总结本发明提出一种基于彩虹捕获原理的宽频减振降噪超结构板装置及设计方法，超结构板包括均匀基板和固定在基板上的若干圆环形单胞；圆环形单胞具有相同的环心，且由内向外，圆环形单胞高度从低到高分布；通过调整圆环形单胞的厚度、高度和相邻圆环形单胞的间距，使得圆环形单胞整体的局域共振带隙所形成的宽频彩虹捕获频带包含目标减振降噪频带。本发明利用彩虹捕获效应的宽频带隙特性，使得振动无法传递到板的外侧区域，利用彩虹捕获效应的波速减缓和能量增强特性，使得固有损耗较低的圆环形单胞能够极大地耗散振动能量，从而显著抑制结构振动与声辐射。技术研发人员：刘凤,彭澎,徐艳龙,杨智春受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29