聲學黑洞原理的雙層加筋板?腔系統降噪研究

王小東　季宏麗　裘進浩

摘要： 雙層加筋板在現代交通運輸工具中被廣泛應用，這類結構的聲振抑制問題一直是難點。聲學黑洞（ABH：?Acoustic Black Hole）作為一種新型的波操縱技術，為結構振動噪聲控制提供了新思路。提出將ABH應用于雙層加筋板中，開發有良好機械特性，特別是能實現減振降噪的結構。設計含有ABH的雙層加筋板?腔系統，搭建實驗平臺并在點載荷激勵下進行效果測試。結果表明截止頻率以上腔體的寬頻噪聲可降低1.5～8 dB。基于有限元方法建立耦合數值模型，多角度量化了系統的動力學特性，分析揭示了ABH在腔室降噪中具有增加系統阻尼和降低內壁板和聲腔的耦合強度的雙重物理機制。針對降噪效果欠佳的低頻段，提供優化設計方案，拓寬有效頻率，實現了全頻帶的控制。進一步驗證了復雜載荷作用下ABH雙層加筋板?腔聲振系統的減噪普適性。

關鍵詞： 雙層加筋板;?聲學黑洞;?腔室降噪;?耦合分析;?寬頻

中圖分類號： V214.9;?TB535 ???文獻標志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0503-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.026

1 概??述

雙層加筋板以其良好的機械性能，被廣泛用于飛機、高鐵、汽車等交通運輸工具的艙室結構中。但隨著科技的發展，振動噪聲品質也成為除了機械性能以外，用來評估裝備性能的一個重要技術指標。雙層加筋結構在提升裝備機械性能同時所引入的聲振問題極大地影響了設備的舒適性以及耐久性。而且鑒于現代裝備對質量、功耗、頻帶寬度、可靠性的嚴格要求，傳統減振降噪方法面臨著很大的挑戰，所以迫切需要開發新理論和新技術來有效改善雙層加筋板應用中的振動噪聲控制問題。

結構振動和聲輻射源于介質中彈性波的形成與傳播，并與周圍的聲學環境耦合產生相互作用。因此，對結構中彈性波的行為進行操控是實現減振降噪的一種有效手段。聲學黑洞作為一種新型的波操縱技術，為新時代背景下的裝備振動噪聲控制提供了可能，且由于其具有高效、輕質、寬頻、可直接集成于系統等特性，倍受科研與工程技術人員的青睞，具有較大的應用前景。

ABH的基本原理是借助結構內部阻抗的變化，使結構中傳播的彎曲波相速度和群速度發生改變，在結構局部區域實現波能量的聚集，然后通過少量耗能材料進行能量耗散。目前，實現ABH效應的主要方式是通過結構厚度的改變，即將結構按照一定冪函數形式減小厚度（局部截面厚度滿足，其中是正有理數，是常數），形成類似于透鏡的陷波器，如圖1所示。

理論上，當ABH中心的厚度減小為零時，波速也為零，不會有反射現象。但是，實際實施過程中受結構完整性的要求和加工條件的限制，中心的最小厚度不能減小到零，而是保留一定的截斷厚度，因此需要在中心區域附加耗能材料，減小由于截斷導致的波的反射，以及完成能量的耗散。

近年來，國內外學者圍繞ABH的現象及應用進行了深入而全面的研究。文獻[8?9]分別通過半解析和傳遞矩陣法研究了一維ABH梁結構特征行為;Huang等通過功率流和軌跡預測方法分析了二維ABH的能量聚集特性;文獻[12?14]利用實驗方法測試了阻尼材料對非完美ABH效應的補償效果;賈秀嫻等借助有限元驗證了ABH在板結構中的減振能力;文獻[16?17]運用波數分析手段探究了自由場中ABH結構波數演變與降噪機制;Wang等則分析了ABH在板?腔系統輻射問題中的耦合機理。在應用方面，Bayod等和Bowyer等分別在渦輪風扇葉片中設計ABH達到了振動控制的目的;王小東等將ABH置于直升機駕駛艙后隔板，實現了艙內降噪。

盡管諸多研究成果表明ABH在減振降噪方面有著很大的優勢，但是單一的ABH剛度和強度較低，承載性差，無法直接作為系統結構的主要部分。所以在實際工程中ABH的應用受到了很大程度的限制。

本文針對雙層加筋板?腔系統的噪聲控制問題，提出將ABH應用于雙層加筋板的內壁板中，在不影響原有結構承載性的前提下，實現腔體的降噪。文中首先設計了含有ABH的雙層加筋板以及構建聲?振力學系統，并搭建實驗平臺進行效果測試。其次，基于有限元建立耦合數值模型，分析了ABH降噪的物理機制，并給出拓寬有效頻帶的設計方法。最后，驗證復雜載荷作用下所提方案的普適性。