基于声学黑洞效应的复合阻波结构振动传递特性及试验研究

作     者：魏海婴 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：温华兵

授予年度：2022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：声学黑洞 复合阻波方法 减振特性 能量传递 

摘      要：船舶领域的减振降噪问题一直广受关注,随着技术的发展,各类船舶都对减振降噪提出了更高的要求。声学黑洞作为一种新型的振动波调控方法,其原理是结构厚度按照一定的幂律函数变化时,可以改变板中的弯曲波的相速度和群速度,理想情况下板厚为0处其波速也将减小为0,从而达到“陷波减振的目的。本文通过有限元仿真和试验验证相结合的方法,对非完美二维声学黑洞结构中的声学黑洞能量聚集效应进行研究,在此基础上将阻尼材料的耗散效应、阻振质量的阻抗失配原理与之结合,提出声学黑洞复合阻波方法并应用到船舶典型耦合板架和动力设备支撑基座中,从减振效果的角度研究声学黑洞复合阻波方法对基座结构的影响。通过建立二维非完美声学黑洞薄板模型并对其在频域和时域下进行仿真,从功率流角度揭示了非完美声学黑洞结构中的能量聚集效应;并探究了附加阻尼材料的类型及相关参数、声学黑洞结构特征参数对非完美声学黑洞薄板振动响应和阻尼特性的影响。针对大型结构中声学黑洞变截面厚度带来的网格划分问题,对声学黑洞结构采用了板壳单元离散建模方法,并与实体单元模型仿真计算的固有频率、模态振性及振动响应等进行对比,验证了板壳单元离散建模方法在声学黑洞结构中的可行性。对嵌入声学黑洞的典型耦合板架进行数值仿真,研究了其在点谐力激励作用下纵波、剪切波和弯曲波所携带稳态振动能量的传递特性,并分析了结合阻尼材料或阻振质量的复合阻波方法对耦合板架结构振动响应的影响。在此基础上提出了声学黑洞与阻尼材料、阻振质量结合的声学黑洞复合阻波方法并拓展应用到了船舶动力设备支撑基座结构中,开展了复合阻波基座结构的减振性能仿真分析,为复合阻波基座结构的声学设计提供了参考。通过对声学黑洞薄板和复合阻波基座结构进行振动特性试验,测试了结构在点激励下的加速度响应,试验结果曲线与仿真曲线基本吻合,验证了本文仿真方法的可行性。同时发现:附加阻尼的情况下声学黑洞薄板的振动响应可以得到较好的抑制,且减振性能随声学黑洞半径的增加而增加;将阻尼材料、阻振质量与声学黑洞相结合的复合阻波方法应用到船舶动力设备支撑基座中,可以很好地提高基座的减振性能。声学黑洞复合阻波基座结构的振级落差较普通基座在100～1000Hz、1000～5000Hz内分别提高了10.66d B、9.25d B,全频段内的振级落差整体提高了9.41d B。