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.

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。

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。

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。

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.

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。

基于半解析法的声学黑洞梁结构参数响应面优化

声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)对弯曲波的聚集效应具有宽频、高效、实现方法简单灵活等特点,在结构减振降噪领域具有广泛的应用前景。以一维声学黑洞梁为对象,结合声学黑洞半解析建模计算方法和响应面优化方法,分析声学黑洞特征长度、截断厚度、幂律以及阻尼层特征长度和厚度这5个参数对一维声学黑洞梁减振效果的影响规律。以一维声学黑洞梁的减振效果为优化目标,对梁和阻尼的结构参数进行优化设计,优化后的一维声学黑洞梁结构在10~8000Hz频率范围内的平均加速度级降低19.03dB。研究对一维声学黑洞梁结构在减振领域的工程应用具有参考价值。

基于分段声学黑洞板件的振动特性分析

非理想声学黑洞结构由于截断的存在,弯曲波在到达截断处会形成反射,导致对振动的抑制效果减弱。针对弯曲波反射问题,本文提出一种分段声学黑洞结构,并采用有限元法进行谐响应分析,计算不同频率下的振动速度响应。结果显示,与传统声学黑洞结构和均匀板件结构相比,分段声学黑洞板件在黑洞布置处具有更强的能量聚集效应,弯曲波的反射问题得到有效解决,在远离黑洞结构的均匀处表现出更好的振动抑制效果。同时,探究贴敷阻尼层以及不同黑洞材料对振动控制的影响效果,结果表明,阻尼层尺寸以及厚度的增大均能提升减振效果。材料刚度的提升亦能进一步增强结构的减振能力。本文的研究可为新型声学黑洞的结构设计提供一种思路。

基于一维声学黑洞理论的方形管减振降噪方法研究

基于不改动构件基本结构原则,对工程中普遍应用的方形管加装声学黑洞结构进行减振降噪。基于声学黑洞理论,通过数学推算证明声波在以趋于无穷的幂函数规律变截面结构中可以产生声波的无反射现象。因现阶段还不存在无穷延伸的结构,声学黑洞结构的幂律面端部将会产生尖端截断,由此得到非标准型一维声学黑洞拓展结构。通过仿真选择适合方形管的非标准型一维声学黑洞的最优参数,使用3D打印的方式制造出非标准型一维声学黑洞结构,采用贴合的方式加装到方形管端部,进行仿真和试验。以方形管的振动幅值为评价标准,评价方型管在增加声学黑洞后的减振降噪效果。经试验验证,声学黑洞结构可以使方形管在X、Y、Z方向上分别达到9.43、9.5、8.62 dB的减振降噪效果。

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 coefcient dependent on the infrared cutof.

声学黑洞在圆柱壳上的应用及结构优化研究

针对声学黑洞(AcousticBlackHole,ABH)在圆柱壳结构上的应用问题,首先采用有限元法分析嵌入ABH的圆柱壳结构的振动特性并讨论不同结构尺寸对其振动特性的影响。随后对结构开展进一步研究,在嵌入ABH的圆柱壳结构外布置局域振子,分析其振动特性,并讨论不同材料振子及振子不同的质量分布对结构振动特性的影响。结果表明:相比原结构,嵌入ABH的圆柱壳结构的振动传递损失增加;当结构内径增大时,振动峰值向高频移动,振动衰减增大;在嵌入ABH的结构外侧附加振子使其发生局域共振可增加振动衰减,改善结构的振动特性;若采用不同材料振子,其质量增大时,振动衰减会向低频移动;随着振子外侧质量向中心集中,结构固有频率随之降低,振动衰减前移,可知振子质量及刚度参数对结构的振动特性有较大影响。

声学黑洞排列组合板结构的减振特性研究

声学黑洞结构是一种弹性波操控结构,利用它可以实现对弹性波的减振降噪和能量回收。为了探究按照一定方式排列组合的声学黑洞结构的减振特性,设计4种方案的声学黑洞板结构。采用有限元法进行谐响应分析,提取不同频率下的振动速度级曲线;进行瞬态分析,提取结构上的振动功率流分布。并对比不同方案板结构的减振特性。结果表明:声学黑洞组合体结构具有良好的能量聚集效应,在一定的频率范围内,其减振效果优于其他声学黑洞结构,研究为新型声学黑洞的结构设计提供一种新思路。

含周期声学黑洞梁的板架结构振动特性

声学黑洞结构通过使结构厚度按幂率渐变,改变结构阻抗从而调控弯曲波在结构中的波长和波速,可实现能量在黑洞区域的聚集和耗散。目前关于声学黑洞结构的研究主要是针对嵌入式声学黑洞,基于周期声学黑洞结构在部分频带良好的减振特性,将带阻尼层的周期声学黑洞梁贴敷在薄板上,提升薄板的减振效果并起到加强板刚度的作用。采用有限元法研究带周期声学黑洞梁的板架结构的减振效果,并将其基于敷设阻尼层和黑洞梁材料进行对比分析。结果表明,含声学黑洞梁能明显削弱振动速度传递响应,较好抑制板的振动;敷设阻尼层能增强对板减振效果,且适当增加黑洞梁数量能提升结构抑振性能;钢质梁较铝质梁刚度更大,能进一步增加板架结构的抑制带宽和增强抑制效果。

波导吸振器的低频减振设计和应用

基于螺旋声学黑洞的波导吸振器(waveguide absorber,WGA)是为解决声学黑洞尖端厚度过薄、截止频率较高等问题而提出的新构型,目前其设计方法、耗能机理和减振应用效果有待进一步研究.研究基于几何声学理论和欧拉-伯努利梁理论,提出了WGA的设计方法,构建了WGA材料参数和几何参数选取的理论模型,通过数值仿真揭示了WGA设计参数对弯曲波波数虚部的影响规律,阐明了几何参数对于截止频率的调控机制,进一步从时域和频域的角度分析了WGA的弯曲波耗散机理.开展加筋板减振实验研究对比验证了设计方法的可靠性和WGA的减振效果.结果表明,研究提出的设计方法可使WGA在更大尖端厚度的条件下获得更低的反射系数和截止频率,在降低加工难度的条件下提高其减振效果和适用范围.安装WGA后的加筋板在10~1000 Hz内加速度级降低可达26 d B,减振效果显著优于等质量阻尼层.新设计的WGA具有易安装、减振频带宽、低频减振效果好和对结构固有振动特性影响小等优点.研究为WGA的设计及其在结构减振工程中的应用提供了指导.