船用夹芯板超结构弯曲波带隙与减振降噪特性研究

作     者：訾欢 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李应刚

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：声学超材料 船用夹芯板 弯曲波带隙 低频减振降噪 声-固耦合 

摘      要：随着“海洋强国战略的不断推进,海上交通行业蓬勃发展,船舶振动辐射噪声污染问题也日趋严峻。2014年国际海事组织(IMO)通过《船上噪声等级规则》,对船舶设计及其减振降噪性能提出了更高要求。船舶振动噪声问题不仅影响船舶的舒适性和安全性,还会降低船舶的声隐身性能。因此,减振降噪与声隐身技术对于船舶行业高质量发展与国防安全至关重要。传统的船舶减振降噪方法难以满足越来越高的减振降噪要求。声学超材料具有独特的亚波长声波调控与禁带特性,在船舶工业减振降噪和声隐身领域呈现广泛的潜在应用价值。本文以探索新型船舶低频减振降噪与声隐身技术为目标,结合有限元方法与实验方法,研究船用夹芯板以及船用夹芯板超结构弯曲波传播特性,揭示其低频振动带隙与减振降噪机理,推动声学超材料带隙理论在船舶减振降噪与声隐身领域中的应用。本文的主要研究内容和结论如下:首先,开展了船舶减振降噪方法以及声学超材料等领域国内外研究综述,介绍了声学超材料研究涉及到的固体物理学、弹性力学、声学等相关基础理论,对禁带特性有限元计算方法进行介绍并对其正确性进行了验证。其次,根据相似理论原理开展船用夹芯板结构等效设计,建立了船用夹芯板波传播特性数值仿真模型,通过计算其能带结构、振动传输特性以及原胞本征位移场,研究船用夹芯板弯曲波带隙与减振特性,分析了几何参数对弯曲波带隙的影响。研究结果表明,船用夹芯板结构在699-971Hz中高频范围存在弯曲波带隙与振动衰减,带隙产生机理主要是Bragg散射调制作用下入射的弯曲波在各个周期性界面的前后发生来回反射,前向波与返向波发生相消干涉导致的弯曲振动模式消失。实验测试结果验证了船用夹芯板具有中高频弯曲波带隙与减振特性。第三,基于声学超材料带隙理论设计船用夹芯板超结构,结合有限元方法以及实验方法对其弯曲波带隙与减振特性进行了深入研究,揭示了船用夹芯板超结构低频禁带产生机理,探索了其在实船动力系统低频激励源减振降噪中的应用。研究结果表明,船用夹芯板超结构能够在174-286Hz低频范围产生弯曲振动带隙,带隙产生机理主要是由局域共振模态与沿各个方向传播的非对称Lamb波的基本模态与高阶模态之间的相互耦合作用。通过对几何参数的调节,船用夹芯板超结构的弯曲振动禁带频率范围可基本覆盖50-500Hz低频范围,可以有效应用于船舶低频减振降噪与声隐身设计。最后,建立了船用夹芯板超结构声-固-壳耦合模型,研究了船用夹芯板超结构的波传播特性,并与船用夹芯板结构进行对比,结合原胞位移场阐明了船用夹芯板超结构中声波能量流动规律,揭示了其低频带隙与减振降噪作用机制内在机理。研究结果表明,船用夹芯板超结构可以突破质量定律的限制,在低频范围内具有优异的隔声性能,其隔声性能的优劣取决于声场中入射波与结构中弹性波声-固耦合作用机制。本文的研究不仅拓展了声学超材料物理范畴,而且为其在船舶与海洋工程结构减振降噪与舰艇声隐身领域应用奠定了理论基础,具有重要的学术意义和军事战略价值。