能夠集中振動(dòng)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)、變厚度減振降噪結(jié)構(gòu)及減振板材的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種結(jié)合阻尼層或動(dòng)力吸振器（Dynamic Vibration Absorber, DVA) 的變厚度板減振降噪復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于有減振降噪要求的板式機(jī)械及建筑 構(gòu)件中，如建筑物、汽車、軌道列車、船舶、飛機(jī)，運(yùn)載火箭等。
【背景技術(shù)】
[0002] 為提高舒適度等性能，減振降噪是很多建筑及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。根 據(jù)基本的物理定律，增加系統(tǒng)質(zhì)量是一種最簡(jiǎn)單而有效振動(dòng)噪聲控制方法。如在對(duì)質(zhì)量增 加不敏感的場(chǎng)合，提高板結(jié)構(gòu)（如建筑物墻體）的面密度可以顯著提高結(jié)構(gòu)的隔聲水平 [1]。而這一措施在汽車、火車、飛機(jī)等交通工具的減振降噪應(yīng)用中卻作用有限。對(duì)于交通 工具，在降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲水平以提高舒適度的同時(shí)，還要盡可能的降低系統(tǒng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕 量化，從而減少能源消耗和排放污染。例如對(duì)于汽車而言，整車質(zhì)量每減少10%，油耗及有 害氣體排放量約可降低6%~8% [2]。
[0003] 附加阻尼層或動(dòng)力吸振器（DVA)是控制汽車及火車車廂和飛機(jī)客艙等薄板結(jié)構(gòu) 振動(dòng)噪聲水平的兩種主要方式。阻尼層通常貼附于結(jié)構(gòu)的表面，通過增加結(jié)構(gòu)的阻尼、耗散 振動(dòng)能量來達(dá)到減振降噪的效果。阻尼材料對(duì)振動(dòng)噪聲的衰減作用可以體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)工作的 所有頻率上，尤以在結(jié)構(gòu)自然頻率附近最為明顯。同時(shí)，阻尼減振的效果往往正比于材料的 密度、厚度與覆蓋面積，即正比于附加質(zhì)量。與阻尼層不同，DVA通過將主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量 "吸收"轉(zhuǎn)移的到附屬結(jié)構(gòu)中來控制主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲水平。因而DVA通常設(shè)計(jì)工作于結(jié)構(gòu) 響應(yīng)最大的某一或幾個(gè)頻率；同時(shí)附加于結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)最大，即能量最大的空間點(diǎn)。這一工 作原理決定了 DVA是典型的窄帶控制措施，其減振降噪效果僅限于其所設(shè)計(jì)頻率及附近的 區(qū)域。DVA的作用效果和帶寬一般與附加的DVA質(zhì)量大小成正比，這一點(diǎn)與阻尼層類似。
[0004] 以上對(duì)兩種典型振動(dòng)噪聲控制措施的簡(jiǎn)單分析可知，結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲響應(yīng)的降低通 常以增加附加質(zhì)量為代價(jià)，從而限制了結(jié)構(gòu)整體（如車輛）輕量化程度的提高。在已有的 兼顧輕量化及減振降噪要求的技術(shù)實(shí)施方案中，復(fù)合夾芯板結(jié)構(gòu)得到了廣泛的討論。
[0005] 板結(jié)構(gòu)的噪聲福射取決于在一定激勵(lì)下板表面的振動(dòng)響應(yīng)，而其表面振動(dòng)響應(yīng)又 決定于板的模態(tài)響應(yīng)特性。對(duì)應(yīng)不同激振頻率，板平面各處都有可能是響應(yīng)極大值點(diǎn)。因 而降低板整體平均響應(yīng)的一個(gè)保守做法是在整塊板上附加阻尼層或多處附加大量DVA，這 顯然不利于輕量化?？梢韵胂?，如果能將板響應(yīng)最大點(diǎn)集中于某個(gè)或某幾個(gè)區(qū)域，然后在這 些區(qū)域有針對(duì)性地施加控制措施，則可大大提高單位附加質(zhì)量的振動(dòng)噪聲控制效果。由于 造成板結(jié)構(gòu)噪聲輻射的彎曲波的波速是板厚的函數(shù)，理論分析表明：當(dāng)板厚按一定指數(shù)規(guī) 律從某一非零數(shù)值逐漸過渡到邊緣厚度為〇時(shí)，彎曲波不會(huì)在邊界發(fā)生反射，而是聚集在 便厚度板的邊緣，此即"聲聚焦"效應(yīng)。
[0006] 根據(jù)這一原理，已有研究結(jié)果表明當(dāng)有限大板上存在厚度按一定規(guī)律變化的變厚 度區(qū)域時(shí)，板在各頻率激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)最大值集中在變厚度區(qū)。如此時(shí)在變厚度區(qū)域附 加阻尼層或DVA，則可同時(shí)利用變厚度板的"聲聚焦"效應(yīng)及阻尼層的"耗能"及DVA的"吸 能"特點(diǎn)，提高單位附加質(zhì)量的減振降噪效果，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)噪聲控制效果最大化的同時(shí)保 持結(jié)構(gòu)的輕量化。此即本發(fā)明提出的集成阻尼層或動(dòng)力吸振器的變厚度板減振降噪結(jié)構(gòu)的 理論基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)以上問題的提出，而研制的一種能夠集中振動(dòng)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)置于平 面或曲面板材上，該結(jié)構(gòu)的厚度由邊緣向中心遞減。通過設(shè)置厚度向中心遞減的結(jié)構(gòu)，使得 其所在板材內(nèi)部的彎曲波能夠聚集在變厚度結(jié)構(gòu)的中心位置，形成聲聚焦效應(yīng)，使得遍布 板材的振動(dòng)集中在變厚度結(jié)構(gòu)的位置，便于采取相應(yīng)的減振降噪措施。
[0008] 更進(jìn)一步的，結(jié)構(gòu)用于構(gòu)成板式機(jī)械、建筑等結(jié)構(gòu)時(shí)（如汽車車身），有利于在保 持整體輕量化的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲響應(yīng)的有效控制。
[0009] 根據(jù)理論分析，設(shè)板結(jié)構(gòu)厚度按下式規(guī)律變化：
[0010] h (χ) = ε Xm (〇)
[0011] 式（0)中，h為板厚；χ為板長(zhǎng)度方向坐標(biāo)，χ彡0且χ = 0為板的邊緣或厚度最小 處；ε和m為常數(shù)，其中m多2。此時(shí)板內(nèi)彎曲波在板末端邊緣處不會(huì)產(chǎn)生反射，即能量被 吸收在厚度趨于零的板末端。
[0012] 實(shí)際使用中，可以將公式（0)所示的變厚度特征集成到板式結(jié)構(gòu)中。由于實(shí)際板 上任何位置的厚度都不可能為零，而只能趨于某一固定小量。設(shè)此值為h。，則板變厚度區(qū)的 厚度表達(dá)式為：
[0013] h(x) = exm+h0 (I)
[0014] 其中h。為結(jié)構(gòu)中心區(qū)域的厚度；h(x)為沿χ方向結(jié)構(gòu)各處厚度；結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)處設(shè) χ = 〇 ;χ的最大取值，Xmax為從變厚度結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)到變厚度區(qū)域邊緣的最大距離；h (Xmax)代 表板邊緣最大厚度；ε和m為常數(shù)；當(dāng)結(jié)構(gòu)中心厚度，結(jié)構(gòu)邊緣最大厚度及其對(duì)應(yīng)的1_值 和常數(shù)m均給定后，ε可由公式求出。
[0015] m出現(xiàn)在冪指數(shù)的位置，代表厚度變化一定是冪指數(shù)形式，且m必須大于等于2時(shí) 才會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)集中現(xiàn)象。一般的，2 3。
[0016] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的結(jié)構(gòu)的水平正投影為圓形、橢圓形或者方形等形狀， 只要滿足厚度表達(dá)式（1)即可。
[0017] 特別的，當(dāng)水平正投影為圓形時(shí)：
[0018] 結(jié)構(gòu)的厚度變化包絡(luò)線由如下公式以極坐標(biāo)形式給出：
[0020] 其中0彡P(guān)彡r，〇S #<2π>結(jié)構(gòu)圓心處為極坐標(biāo)的零點(diǎn)，厚度為h。，h為板 厚；P為極徑，其最大取值為r;識(shí)為極坐標(biāo)角度，取值范圍為0到2π弧度；m和ε為常 數(shù);m取值大于等于2 ; ε取值在變厚度結(jié)構(gòu)中心處的厚度最小值h。，邊緣處的厚度最大值 /20-,爐:)，變厚度結(jié)構(gòu)半徑r及常數(shù)m給定后，可由公式（2)求出。
[0021] -種變厚度減振降噪結(jié)構(gòu)，設(shè)置與平面或曲面板材上，包括所述的能夠集中振動(dòng) 響應(yīng)的結(jié)構(gòu)；以及設(shè)置在所述能夠集中振動(dòng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)上的附加阻尼層和/或動(dòng)力吸振器 DVA0
[0022] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的附加阻尼層為自由阻尼層，可通過粘貼或噴涂的方 式固定在所述的能夠集中振動(dòng)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成變厚度減振降噪結(jié)構(gòu)。
[0023] 更進(jìn)一步的，所述的附加阻尼層為約束阻尼層，包括：位于表層的額外約束板和該 約束板下方的自由阻尼層，所述約束板為剛性板，可選用鋁板等。
[0024] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的動(dòng)力吸振器DVA為連續(xù)參數(shù)型動(dòng)力吸振器。采用分 布（或連續(xù)）參數(shù)型動(dòng)力吸振器便于控制厚度，即整個(gè)吸振器的高度與板基材的高度接近， 便于形成等厚度板。
[0025] 對(duì)于某些不要求使用等厚度板的場(chǎng)合，采用離散參數(shù)型動(dòng)力吸振器或者其它類型 的動(dòng)力吸振器也可達(dá)到相同的減振效果。
[0026] -種減振板材，該板材為平板或弧形板材，在板材的表面設(shè)有一個(gè)或多個(gè)所述的 變厚度降噪結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)或多個(gè)變厚度降噪?yún)^(qū)域。通過將板振動(dòng)能量相對(duì)集中到變厚度 區(qū)域中，然后在該結(jié)構(gòu)內(nèi)有針對(duì)性地附加阻尼層或DVA，顯著增強(qiáng)了單位附加質(zhì)量對(duì)板結(jié)構(gòu) 振動(dòng)噪聲控制的有效性，從而有利于在控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲響應(yīng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)整體的輕量化。
【附圖說明】
[0027] 為了更清楚的說明本發(fā)明的實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是 本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可 以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0028] 圖Ia為變厚度板加阻尼層正視圖；
[0029] 圖Ib.變厚度板加阻尼層側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0030] 圖Ic.變厚度板加約束阻尼層側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0031] 圖2a.集成多個(gè)變厚度單元與DVA的變厚度板結(jié)構(gòu)正視圖；
[0032] 圖2b.變厚度板附加集總參數(shù)DVA的側(cè)面剖視圖；
[0033] 圖2c.變厚度板附加分布參數(shù)DVA的側(cè)面剖視圖；
[0034] 圖3.具有2個(gè)變厚度區(qū)域的變厚度板實(shí)際算例示意