Vibration Reduction by a Partitioned Dynamic Vibration Absorber with Acoustic Black Hole Features

Vibration quality is a vital indicator for assessing the progress of modern equipment.The dynamic vibration absorber(DVA)based on the acoustic black hole(ABH)feature is a new passive control method that manipulates waves.It offers efficient energy focalization and broad-spectrum vibration suppression,making it highly promising for applications in large equipment such as aircraft,trains,and ships.Despite previous advancements in ABH-DVA development,certain challenges remain,particularly in ensuring effective coupling with host structures during control.To address these issues,this study proposes a partitioned ABH-featured dynamic vibration absorber(PABH-DVA)with partitions in the radial direction of the disc.By employing a plate as the host structure,simulations and experiments were conducted,demonstrating that the PABH-DVA outperforms the original symmetric ABH-DVA in terms of damping performance.The study also calculated and compared the coupling coefficients of the two ABH-DVAs to uncover the mechanism behind the enhanced damping.Simulation results revealed that the PABH-DVA exhibits more coupled modes,occasionally with lower coupling coefficients than the symmetric ABH-DVA.The influence of frequency ratio and modal mass was further analyzed to explain the reasons behind the PABH-DVA's superior damping performance.Additionally,the study discussed the impact of the number of slits and their orientation.This research further explains the coupling mechanism between the ABH-DVA and the controlled structure,and provides new ideas for the further application of ABH in engineering.

Merging phononic crystals and acoustic black holes

Phononic crystals(PCs) have recently been developed as effective components for vibration suppression and sound absorption. As a typical design of PCs, wave attenuation occurs in the so-called stop-band. However, the structural response is still significantly large in the pass-band. In this paper, we combine PCs and acoustic black holes(ABHs) in a unique device, achieving a versatile device that can attenuate vibration in the stop-band, while suppress vibration in the pass-band. This approach provides a versatile platform for controlling vibration in a multiband with a simple design.

基于改进高斯展开法的ABH板弯曲振动特性分析

针对声学黑洞(acoustic black hole,ABH)板存在的非均匀波长分布和波数快速变化问题,建立了一种基于改进高斯展开法(improved Gaussian expansion method,IGEM)的半解析模型来分析ABH板的弯曲振动问题。在Rayleigh-Ritz法的框架下,选择高斯函数作为基函数,根据板的厚度变化来确定不同位置下高斯基函数的尺度因子,并根据尺度因子和板的形状来确定高斯基函数的分布情况;通过尺度因子的分级化处理,既可以更加准确地描述板在不同厚度处的位移,又实现了x方向和y方向在积分过程中的分离,进而改善计算准确度和效率;此外,根据板的形状确定高斯基函数的分布情况,可以避免质量矩阵和刚度矩阵的奇异化。最后,该研究以矩形ABH板、圆形ABH板和开孔形ABH板为例,验证了该方法在计算ABH板弯曲振动时的准确性和适用性。

Statistical Entropy of an Acoustic Black Hole in Bose–Einstein Condensates

The entanglement entropy of an acoustic black hole in a Bose-Einstein condensates （BEC） is derived, which is associated with the phonons generated via the Hawking mechanism in a sonic hole. Considering the dispersion relation of a BEC, we recalculate the entanglement entropy of the acoustic black hole by means of statistical method in two limits. We find that the entropy is still proportional to the area of event horizon, but with a coefficient dependent on the infrared cutoff.

二维声学黑洞应用于压电振动能量收集

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维ABH结构能在宽频域内显著提高能量收集效率。搭建了环形二维声学黑洞压电能量收集器试验测试平台,通过试验验证了仿真结果的正确性。与经典二维ABH结构相比,环形二维ABH结构具有更好的能量收集效率和结构强度。分析了压电片几何尺寸等因素对装置能量收集效率的影响,得到了能获得较高输出功率的几何尺寸范围,并进行了正交试验设计,研究了截断厚度、压电片尺寸、中央平台直径、幂指数等多因素的综合影响。

基于声黑洞设计理论的径向夹心式径-弯复合换能器

基于弯曲波在声黑洞(acoustic black hole,ABH)结构中振幅不断增大的特性,提出了一种新型径向夹心式径-弯复合换能器,该换能器由径向夹心式圆环换能器与外围的环形ABH结构组成.ABH结构的存在实现了换能器径向振动与弯曲振动之间的转换,提高了换能器的声辐射性能.利用几何声学的方法建立了ABH结构弯曲振动的解析模型,给出了其弯曲振动的本征频率,并结合有限元方法讨论了换能器机电转换性能随尺寸变化的关系.通过有限元方法给出了该换能器在空气中的辐射声压场、辐射声强以及辐射指向性,仿真结果表明,ABH结构的存在能够改善换能器弯曲振动的机电转换性能,提高换能器的声辐射性能,使换能器呈现出一定的辐射指向性.最后通过实验对换能器样机的电阻抗特性以及振动模态进行测量,实验结果与仿真相符合.

无人航行器声隐身性能提升研究

针对小几何尺度的无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)中减振技术的应用问题,建立尺度较小的SUBOFF无人航行器有限元模型。分析其在典型激励下的声振特性,探讨阻振、吸振技术在UUV上的应用,并且基于声学黑洞结构设计UUV舱段,分析其减振效果。研究结果表明:无人航行器结构振动和辐射噪声的峰值频率与整体和局部结构的模态频率关系较大。在推进电机基座、推力轴承基座等结构上应用阻振质量和动力吸振器可有效减小艇体振动,吸振器质量增加可改善吸振效果。设计声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)舱段并应用于艇体的中部均匀部分,可有效减小结构振动由激励源向船艏的传递,体现该方案的减振效果。

附加式声学黑洞对悬臂板振动寿命影响研究

结构在振动条件下的疲劳破坏对其自身的使用寿命以及使用者的人身安全均带来了隐患,目前对于解决结构振动疲劳有添加加强筋、敷设大量阻尼材料等方法,但往往效率较低,附加质量过大。为解决上述问题,提出将附加式声学黑洞(ABH)安装在结构上,通过降低结构响应达到降低应力幅值,延长使用寿命的目的。以悬臂板为基准结构,利用有限元方法进行了稳态动力学分析。结果表明,在附加矩形声学黑洞(RABH)后,悬臂板缺口处的应力响应明显降低。通过应力实验以及疲劳实验,验证了附加RABH可以降低结构危险点处应力响应,并延长悬臂板结构的振动疲劳寿命。

基于环状螺旋声学黑洞的管道结构振动抑制研究

传统的附加式声学黑洞(ABH)结构主要针对板状结构的振动抑制进行设计,对于工程中广泛存在的管道结构难以适用。为解决管道结构的振动抑制问题,提出了一种能够应用在管道结构上的附加式ABH装置“环状螺旋式ABH减振器(CSABH)”。通过将ABH区域设计成螺线形式,增加了减振器的模态密度,使其与主结构更好地耦合。以铝管为基准结构,利用有限元方法探究了CSABH的动力学特性,进行了时域波聚集分析与频域响应分析。结果表明,CSABH具有良好的波聚集特性,能实现对管道20~5000 Hz的振动抑制,且当管道的约束条件和温度条件发生改变时,相同参数的CSABH仍然能够发挥良好的宽频减振效果,展现了减振的鲁棒性。通过实验验证了CSABH在管道结构的振动控制中具有宽频、高效和鲁棒性高的特点。

基于声学黑洞波动控制技术的槽型轨动力吸振器减振降噪特性研究

轨道交通引起的环境振动噪声问题持续增加,即使目前具有多种控制效果良好的减振降噪措施,但仍有望做进一步的提升。在该研究中提出了一种新型的槽型轨道动力吸振器,将声学黑洞波动控制技术与动力吸振原理相结合。该吸振器设计的目标是保证主结构强度与刚度的前提下,采用附加的声学黑洞阻尼振子作为吸能单元,对主结构的振动能量进行传递、吸收与耗散。为了研究声学黑洞型动力吸振器对槽型轨道振动特性和声辐射特性的影响,利用仿真分析对不同类型的动力吸振器下槽型轨道的位移导纳和振动衰减率进行了评估;采用滚动噪声预测模型计算分析了声学黑洞型动力吸振器的降噪效果并探究了其参数对轮轨振动噪声的影响规律。结果表明:槽型轨在800~1000 Hz频段内的一阶pinned-pinned在未采取措施的情况下振动响应显著,振动衰减率仅为0.68 dB/m,在安装了声学黑洞型动力吸振器之后轨道结构的振动衰减率上升到1.80 dB/m,提高率可达265%。

基于声学黑洞的谷物流量传感器支架减振优化

为减少联合收获机振动对谷物流量传感器监测结果的干扰,设计了一种基于声学黑洞(ABH,acoustic black hole)原理的谷物流量传感器龙门支架减振结构,通过有限元方法分析减振结构的振动特性,分析了二维声学黑洞比例系数ε、幂函数指数m和半径R对其减振性能的影响规律。结果表明,声学黑洞能够显著降低龙门支架的振动,ε、m和R对声学黑洞减振性能的影响均未表现出明显线性关系,当ε=0.001 2、m=2.5、R=15 mm时声学黑洞的减振效果最好。以振动速度平方和作为优化目标,建立了多项式回归代理模型,通过遗传算法对声学黑洞比例系数ε、幂函数指数m和半径R的取值进行了优化。相比于未添加声学黑洞的原始龙门支架和初始声学黑洞方案,优化后龙门支架的振动速度平方和分别降低68.92%和2%,表明优化方案具有更佳的减振性能。提出的基于声学黑洞的减振结构和优化设计方法为农业机械被动宽频减振研究提供了理论参考。

声学黑洞环在导弹级间减振隔冲中的应用研究

在导弹系统中,发动机及火工品产生的振动和冲击会严重影响战斗部的打击精度和可靠性。采取有效的减振隔冲措施至关重要。声学黑洞(acoustic black hole,ABH)作为一种新型的波操纵技术,利用结构阻抗的变化,使结构中传播的波相速度和群速度发生变化,在结构局部区域实现波的聚集,借助少量阻尼即可高效地将能量耗损。该方法具有高效、轻质、宽频等优点,为结构动力学控制提供了新的思路,具有较强的潜能和应用前景。针对导弹系统的振动冲击问题,提出了基于ABH效应的级间减振隔冲环(简称:ABH环)设计方案,以提高装备的打击精度及任务可靠性。运用有限元仿真方法研究了ABH环的动态特性,分析表明其具有良好的能量转移与耗散能力。建立了ABH环结构-战斗部模拟模型,通过模拟飞行过程的随机振动以及级间分离等冲击作用,对系统响应特性进行了分析并评估抑制效果。结果表明,所提ABH环应对复杂动载荷工况时具有较好的减振隔冲效果:降低幅值增加衰减速率。该研究既为导弹减振隔冲提供了思路,又有效扩宽了声学黑洞新技术的应用范围。

基于高斯展开法的碟形声学黑洞宽频调谐减振机理研究

近年来,嵌入式声学黑洞(acoustic black holes,ABH)以其优异的性能,在结构减振降噪、声波调控、能量回收等领域展示了广阔的应用前景,但其局部结构强度弱化会影响其工程实用性。提出一种碟形声学黑洞(dish-shaped acoustic black hole,DABH)结构,将其附加在主体结构上,以实现对主体结构的宽频减振。在Rayleigh-Ritz法框架下,选择高斯函数作为基函数,根据声学黑洞板的形状确定基函数的分布,避免质量和刚度矩阵的奇异化,建立了其耦合系统半解析模型。通过与有限元模态分析结果的对比,验证了半解析建模方法的正确性。研究了碟形声学黑洞结构参数以及连接位置对主体结构振动响应特性的影响规律,分析了碟形声学黑洞的ABH效应以及与主体结构的耦合效应,揭示了其宽频调谐减振的机理,为拓展声学黑洞在宽频结构振动控制上的应用提供了新的思路。

声学黑洞约束阻尼板半解析耦合建模与振动特性研究

声学黑洞(ABH)以其优异的性能在结构减振降噪、声波调控、能量回收等领域展示了极其广阔的应用前景。但声学黑洞边缘截断会导致非零反射系数的存在,从而弱化声学黑洞效应。为此,本文在声学黑洞结构中引入约束阻尼材料,在Rayleigh-Ritz法框架下,选择高斯函数作为基函数,根据声学黑洞板的形状确定高斯基函数的分布,避免质量矩阵和刚度矩阵的奇异化,建立了声学黑洞约束阻尼板的半解析分析模型。通过与有限元分析结果对比,验证了半解析建模方法的正确性。研究了约束阻尼结构参数对声学黑洞板弯曲振动特性的影响规律,揭示了约束阻尼的减振机理和能量耗散作用。实验进一步验证了声学黑洞约束阻尼板的减振效果。

一种局域共振型声学超材料的半解析建模与带隙机制研究

基于声学黑洞(acoustic black hole, ABH)弧形梁体积小且模态频率丰富的特点,将声学黑洞弧形梁作为附加结构周期分布在直梁上,达到促进局域共振效应和拓宽低频带隙的作用,由此构建一种新的局域共振型声学超材料。针对局域共振型超材料,采用高斯展开法,建立其半解析理论分析模型,基于零空间法处理其内部连接以及周期边界条件,并通过有限元法验证半解析理论分析模型的准确性。分析和计算其能带结构,研究结构参数以及ABH效应对布拉格带隙以及局域共振带隙的影响机理。研究结果表明,该半解析理论模型能够对结构的带隙进行有效计算,附加弧形ABH的陷波机制能够促进结构的局域共振效应并对主梁进行有效减振,为声学黑洞声学超材料的应用提供了新的思路。

声学黑洞在减振降噪中的研究进展

声学黑洞结构作为一种轻质、高效、宽频弹性波调控手段,在减振降噪领域具备广阔的应用前景。本文基于声学黑洞效应,以轻质高效宽频减振降噪材料用于解决工程声振问题为目的,介绍了单层/双层声学黑洞梁和附加声学黑洞吸振梁、声学黑洞压痕板和内雕板、声学黑洞圆柱壳,以及声学黑洞管道减振降噪的研究进展。结合当前声学黑洞减振降噪研究和应用过程中存在的不足,对声学黑洞减振降噪领域存在的问题和未来的研究方向进行预判,为声学黑洞减振降噪研究和应用提供一些参考。

声学黑洞铝型材板结构减振特性仿真研究

声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)技术作为一种新型高效的能量聚焦以及振动控制技术,在减振降噪方面具有很好应用潜力。铝型材板结构作为一种夹层结构,具有高比刚度和高比强度等优异轻量化特性,广泛应用于列车外地板、船舶、航空航天等领域中。为了探究ABH和铝型材板结构相结合后是否还具有典型的ABH效应,运用有限元数值模拟方法研究嵌入式ABH铝型材板结构的振动能量聚焦特性。对于频点和频带聚焦特性分析结果表明,在铝型材板结构中嵌入ABH特征结构可以起到显著振动能量聚焦效果。此外,根据聚焦特性分析结果,在ABH铝型材板结构中的ABH特定区域内敷设阻尼材料,并通过仿真计算验证了其减振特性。结果表明,由ABH铝型材板结构附加阻尼材料所得的组合结构振动水平显著低于普通铝型材板结构,部分频率下振动衰减高达52.6 dB。这为轨道交通领域提供了一种很有应用潜力的结构减振降噪新思路。

声学黑洞加筋板结构的声振特性分析

基于声学黑洞与加强筋这两种结构设计出声学黑洞加筋板,通过建立声学黑洞加筋板、加强筋的有限元模型,对两种结构的声辐射特性、振动能量分布与传递特性开展研究。仿真结果表明:在高于截止频率时声学黑洞加筋板的辐射声功率级比普通加筋板降低8~20 dB,由于敷设的局部阻尼使聚集在声学黑洞区域的振动能得到有效的耗散,因此其振动水平下降明显且与声场耦合变弱;通过分析振动能量分布特性验证了声学黑洞加筋板结构大部分动能聚集在声学黑洞区域,减弱整体结构的振动水平;振动传递特性揭示了声学黑洞加筋板受声学黑洞聚能与加强筋阻振的叠加效应,相比于普通加筋板,声学黑洞加筋板具有更优的减振降噪性能。

简谐激励下声学黑洞梁的疲劳裂纹扩展分析

针对含有裂纹的声学黑洞(ABH)梁,基于假设振型法建立振动力学方程,采用包含裂纹位置及深度信息的等效弯曲刚度模型描述裂纹对ABH梁振型的影响.利用Paris公式模拟疲劳裂纹的扩展速率,提出ABH梁的振动疲劳寿命预测流程图.MATLAB数值模拟与COMSOL有限元分析结果表明,基于等效弯曲刚度模型的数值模型与有限元仿真结果吻合.裂纹扩展分析表明,ABH梁特征频率的阶数与疲劳寿命没有内在关系.振动疲劳模拟表明ABH结构的特征参数会影响疲劳寿命分布.

周期格栅声学黑洞减振性能研究

针对弯曲波减振,该文提出了一种周期格栅声学黑洞结构,首先建立了有限元分析模型,然后通过实能带、复能带方法分析了带隙特性和宽频减振性能,并通过振动传递分析验证了能带分析的结果,最后提出以第一带隙范围和带隙外平均衰减因子作为结构的减振性能指标,研究声学黑洞特征参数的影响规律。研究结果显示:周期格栅声学黑洞同时具有全方向带隙特性和宽频减振性能,较低频段的减振由周期结构的带隙特性主导,较高频段的减振由声学黑洞的宽频减振性能主导;在5×5的有限周期结构中,周期格栅声学黑洞相比普通格栅在213~513 Hz处存在低频带隙,低频带隙外相比普通格栅振动平均减小9.5 dB;其他参数不变的情况下,增加声学黑洞长度、指数,减少残余厚度,有利提升结构的减振性能。