声学黑洞原理的双层加筋板⁃腔系统降噪研究

王小东　季宏丽　裘进浩

摘要： 双层加筋板在现代交通运输工具中被广泛应用，这类结构的声振抑制问题一直是难点。声学黑洞（ABH： Acoustic Black Hole）作为一种新型的波操纵技术，为结构振动噪声控制提供了新思路。提出将ABH应用于双层加筋板中，开发有良好机械特性，特别是能实现减振降噪的结构。设计含有ABH的双层加筋板⁃腔系统，搭建实验平台并在点载荷激励下进行效果测试。结果表明截止频率以上腔体的宽频噪声可降低1.5～8 dB。基于有限元方法建立耦合数值模型，多角度量化了系统的动力学特性，分析揭示了ABH在腔室降噪中具有增加系统阻尼和降低内壁板和声腔的耦合强度的双重物理机制。针对降噪效果欠佳的低频段，提供优化设计方案，拓宽有效频率，实现了全频带的控制。进一步验证了复杂载荷作用下ABH双层加筋板⁃腔声振系统的减噪普适性。

关键词： 双层加筋板; 声学黑洞; 腔室降噪; 耦合分析; 宽频

中图分类号： V214.9; TB535    文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0503-11

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

1 概  述

雙层加筋板以其良好的机械性能，被广泛用于飞机、高铁、汽车等交通运输工具的舱室结构中。但随着科技的发展，振动噪声品质也成为除了机械性能以外，用来评估装备性能的一个重要技术指标。双层加筋结构在提升装备机械性能同时所引入的声振问题极大地影响了设备的舒适性以及耐久性。而且鉴于现代装备对质量、功耗、频带宽度、可靠性的严格要求，传统减振降噪方法面临着很大的挑战，所以迫切需要开发新理论和新技术来有效改善双层加筋板应用中的振动噪声控制问题。

结构振动和声辐射源于介质中弹性波的形成与传播，并与周围的声学环境耦合产生相互作用。因此，对结构中弹性波的行为进行操控是实现减振降噪的一种有效手段。声学黑洞作为一种新型的波操纵技术，为新时代背景下的装备振动噪声控制提供了可能，且由于其具有高效、轻质、宽频、可直接集成于系统等特性，倍受科研与工程技术人员的青睐，具有较大的应用前景。

ABH的基本原理是借助结构内部阻抗的变化，使结构中传播的弯曲波相速度和群速度发生改变，在结构局部区域实现波能量的聚集，然后通过少量耗能材料进行能量耗散。目前，实现ABH效应的主要方式是通过结构厚度的改变，即将结构按照一定幂函数形式减小厚度（局部截面厚度满足，其中是正有理数，是常数），形成类似于透镜的陷波器，如图1所示。

理论上，当ABH中心的厚度减小为零时，波速也为零，不会有反射现象。但是，实际实施过程中受结构完整性的要求和加工条件的限制，中心的最小厚度不能减小到零，而是保留一定的截断厚度，因此需要在中心区域附加耗能材料，减小由于截断导致的波的反射，以及完成能量的耗散。

近年来，国内外学者围绕ABH的现象及应用进行了深入而全面的研究。文献[8⁃9]分别通过半解析和传递矩阵法研究了一维ABH梁结构特征行为;Huang等通过功率流和轨迹预测方法分析了二维ABH的能量聚集特性;文献[12⁃14]利用实验方法测试了阻尼材料对非完美ABH效应的补偿效果;贾秀娴等借助有限元验证了ABH在板结构中的减振能力;文献[16⁃17]运用波数分析手段探究了自由场中ABH结构波数演变与降噪机制;Wang等则分析了ABH在板⁃腔系统辐射问题中的耦合机理。在应用方面，Bayod等和Bowyer等分别在涡轮风扇叶片中设计ABH达到了振动控制的目的;王小东等将ABH置于直升机驾驶舱后隔板，实现了舱内降噪。

尽管诸多研究成果表明ABH在减振降噪方面有着很大的优势，但是单一的ABH刚度和强度较低，承载性差，无法直接作为系统结构的主要部分。所以在实际工程中ABH的应用受到了很大程度的限制。

本文针对双层加筋板⁃腔系统的噪声控制问题，提出将ABH应用于双层加筋板的内壁板中，在不影响原有结构承载性的前提下，实现腔体的降噪。文中首先设计了含有ABH的双层加筋板以及构建声⁃振力学系统，并搭建实验平台进行效果测试。其次，基于有限元建立耦合数值模型，分析了ABH降噪的物理机制，并给出拓宽有效频带的设计方法。最后，验证复杂载荷作用下所提方案的普适性。