宽带振动衰减特性及带阻尼振子的声学黑洞板优化设计研究发表时间：2025-04-29 13:01 声学黑洞（ABH）由Mironov在1988年首次提出，ABH通过板厚按幂律函数（ 近日，河南科技大学和哈尔滨工程大学的研究人员研究了声学黑洞（Acoustic Black Hole, ABH）阻尼振子（Damping Oscillator, DO）结构在宽频率范围内减振特性，相关研究工作发表在最近的期刊《scientific reports》上面。  带阻尼振子的声学黑洞板研究 1. 结构设计 ABH厚度函数：  （本文取m=2，截断厚度h0 =0.5mm，半径50mm）。 ABH-DO 结构：ABH 中心设阻尼层（氯丁橡胶，弹性模量 30 MPa，损耗因子 0.45），嵌入振子（铜合金，密度 7850 kg/m³，厚度 6 mm）。利用ABH的高频减振效果和阻尼连接器、振子的低频减振特性，实现宽频率范围内的减振。   ABH-DO结构示意图及其参数 多ABH-DO阵列：采用2×2至5×5周期性排列，间距10mm，振子厚度5mm。 1. 建模与有限元分析 使用Siemens NX创建三维实体模型，模型尺寸为470mm×350mm×5.5mm的均匀板结构，ABH-DO位于中心。采用ANSYS谐响应分析，网格划分采用四面体单元，ABH区域网格细化，激励点加速度1N，频率范围200–3200Hz，网格细化至2.5mm（ABH区域）。   ABH-DO的有限元模型和一些坐标点   1300Hz激励力和点4、点5点振动响应  ABH-DO材料参数 3.实验验证 设计三种类型的均匀板进行实验测试，包括带有ABH-DO结构的板、带有ABH的板和普通均匀板。实验采用自由边界条件，使用弹性绳和尼龙绳悬挂板，安装加速度传感器收集振动数据。  实验现场和仪器连接   实验中数据材料点的位置和坐标 实验结果与结论 1. 单个ABH-DO结构的振动特性： 频率响应分析：与均匀板相比，ABH-DO结构在宽频率范围内共振峰均有所降低，首个共振峰在320Hz处降低了7dB，表明ABH-DO结构具有较好的减振性能。 模态分析：与均匀板相比，带有ABH的板振动幅度主要集中在ABH区域，加入阻尼连接器和振子结构后，这些部件展现出相对较高的振动幅度，说明它们能够吸收振动能量。   均匀板、ABH和ABH-DO的振动加速度响应和模态形状 结构参数影响： ABH半径：半径越大，越能有效捕获低频振动，截止频率降低，低频减振效果越好。增大半径降低截止频率，提升低频减振（如320Hz峰值降7dB）。  ABH半径对ABH-DO振动特性的影响 阻尼连接器弹性模量：弹性模量降低可在一定程度上降低共振峰，但对提高减振性能效果有限，且过低的弹性模量会影响ABH-DO结构的力学性能。减小模量（如从90MPa降至30MPa）对高频影响显著，但整体效果有限（第三峰值仅降5.28dB）。   阻尼连接器弹性模量和振子质量对ABH-DO振动特性的影响 振子质量：振子质量增加可降低首共振峰的振幅，改善ABH-DO结构的低频减振性能，但对高频振动抑制作用不大，适当改变振子质量可调整不同频率段的减振特性。增加质量（通过增厚）显著提升低频性能（如第一峰值随厚度增加而降低）。 2. 多阵列ABH-DO 结构的振动特性 不同阵列配置：周期性排列设计，测试 2×2、2×3、3×3、4×4、5×5 阵列，ABH 半径 30 mm，间距 10 mm，振子厚度 5 mm。 单板测试：8个ABH-DO结构分布于800×500×8mm钢板上，实验验证与仿真一致性高（位移响应误差<5dB）。 不同阵列配置效果：2×2阵列在首峰和高频区域振幅降低显著，但在500-1600Hz范围内效果不佳；2×3和2×4阵列在1600Hz后减振性能较好；3×3阵列对第三峰影响负面，但其他频率减振特性良好；4×4和5×5阵列整体性能提升，尽管部分峰值与无ABH-DO结构的板相当，但随着ABH-DO结构数量增加，板内振动能量的吸收和耗散增强，增加和周期性排列ABH-DO结构是降低板面振动的有效方法。   不同阵列配置的振动和加速度响应 3.实验验证结果 ABH-DO结构与ABH结构对比：ABH-DO结构在10-1000Hz频率范围内具有显著的减振效果，相比ABH结构，在330Hz、439Hz和606Hz处分别降低了4.2dB、6.7dB和7.7dB。 实验与模拟结果对比：实验结果与模拟结果趋势一致，但在峰值处存在差异，主要是由于实际情况下材料损耗因子难以精确测量。  三种类型板的减振效果的实验结果  ABH-DO的实验和模拟结果 4.正交实验优化 因素水平：ABH直径（50/55/60mm）、阻尼模量（30/40/50MPa）、振子厚度（2/4/6mm）。 结果：振子质量（厚度）影响最大（极差2.232），其次为ABH半径（0.718），阻尼模量最小（0.194）。 最优组合：直径50mm + 阻尼模量30MPa + 振子厚度6mm，平均减振效果达19.583dB。  正交实验设计和结果  极差分析表和优化结果 5.正交实验优化结果 因素影响程度：振子厚度（质量）对减振性能影响最大，其次是ABH直径，阻尼连接器弹性模量影响最小。 最优参数组合：在给定范围内，确定了ABH-DO结构的最优参数组合，此时结构的减振特性相比其他参数组合有不同程度的提升。  正交实验中不同因素水平和最优结果 本研究为ABH结构在截止频率以下的减振应用提供了新的方法和思路，通过优化ABH-DO结构的参数，可实现宽频率范围内的有效减振，对于实际工程中的减振设计具有重要的指导意义。未来研究将探索不同间距排列和混合尺寸的ABH-DO结构，以寻找在更宽频率范围内更有效的减振组合。 文献获取：Yang, C., Yu, H. & Ye, T. Study on broadband vibration reduction characteristics and optimal design of the acoustic black hole plate with damping oscillators. Sci Rep 15, 12100 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-86062-3 |
）渐变，当板的厚度按幂函数变化时，结构内的弯曲波速度减小，振幅相应增加，理论上无波反射，产生能量积聚效应。然而，实际应用中板厚不能减到零，存在截止厚度，影响减振效果。现有研究多集中于截止频率以上的减振应用，如减振降噪、能量回收等，但对于截止频率以下的低频减振研究较少。此外，ABH结构强度与减振性能的平衡问题尚未完全解决。
