声学黑洞结构应用中的力学问题

发布时间：2019-11-27 22:34

【摘要】：声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.
【图文】：

季宏丽，黄薇，裘进浩，成利：声学黑洞结构应用中的力学问题逡逑３３５逡逑图１逦逡逑一维声学黑洞结构中弹性波的传播逡逑＿＿丨１１丨丨丨丨丨＿＿＿逡逑图２逦逡逑内嵌于薄板结构中的二维声学黑洞逡逑学黑洞结构，或者是在截断边缘有缺陷的情况下（Ｂｏｗｙｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１２），对结构振动仍然逡逑有很好的抑制效果．逡逑在二维声学黑洞的加工制造中，往往会在黑洞的中心形成圆形的小孔或者形成－逡逑个厚度等于截断厚度的中心圆台（Ｂｏｗｙｅｒｅｔａｌ．邋２０１３），这些由于缺陷引入的新的几何逡逑参数都将对声学黑洞效应产生一定的影响，阻尼材料的应用同样可以降低波的反射逡逑（Ｏ’Ｂｏｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１０），提高能量耗散的效率（Ｏ’Ｂｏｙ邋＆邋Ｋｒｙｌｏｖ邋２０１１）．为了提高二维声学逡逑黑洞结构的振动噪声抑制效果，可以将多个声学黑洞布置在结构中（Ｂｏｗｙｅｒ邋＆邋Ｋｒｙｌｏｖ逡逑２０１２；邋Ｃｏｎｌｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１４，邋２０１５ａ，邋２０１５ｂ），这种结构在一定范围内可以降低声学黑洞的逡逑有效作用频率范围的下限．研究表明，在非完美的二维声学黑洞结构中，宽频能量聚逡逑集现象依然存在（Ｌｏｍｏｎｏｓｏｖ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１５，Ｈｕａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１６），，波在非完美二维声学黑逡逑洞结构中的传播方向发生偏转，产生类似于波在超材料梯度折射率声透镜中传播的现逡逑象（Ｔｏｒｒｅｎｔ邋＆邋Ｓｔｉｎｃｈｅｚ－Ｄｅｈｅｓａ邋２００７．邋Ｚｈａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００９．邋Ｄｕｂｏｉｓ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１３，邋Ｔｏｒｒｅｎｔ邋ｅｔ．邋ａｌ．逡逑２０１４）．在超材料声透镜结构中，需要紧密地布置极小的单元方能近似实现连续梯度变逡

３３８逦力邋学进展逦第４７卷：２０１７１０逡逑图４逡逑两侧附着阻尼材料的有截断的一维声学黑洞结构逡逑分下限将由０变为抑，弯曲波在边界处发生反射，能量耗散效应大大减弱．存在截断逡逑的声学黑洞结构的反射系数为（Ｋｒｙｌｏｖ邋＆邋Ｓｈｕｖａｌｏｖ邋２0００）逡逑ｉ？0邋＝邋ｅｘｐ邋（ ２邋NB邋Ｉｍ逦（７）逡逑研究表明，很小的截断厚度即可使得反射系数增大至５０％？７０邋％邋（Ｋｒｙｌｏｖ邋２００４），逡逑不利于声学黑洞结构有效地抑制振动．在具有截断的声学黑洞结构上粘贴少量的阻尼逡逑材料可以很好的解决该问题．将阻尼层附着在厚度较小的黑洞区域时，可以有效地耗逡逑散聚集于声学黑洞中的波动能量，从而使得由截断引起的反射系数显著降低（Ｋｒｙｌｏｖ逡逑２００４，邋Ｋｒｙｌｏｖ邋＆邋Ｔｉｌｍａｎ邋２００４，邋Ｂｏｗｙｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１２）．邋Ｋｒｙｌｏｖ邋（１９９５）针对？图邋４邋所示的上下逡逑表面粘贴了厚度为的阻尼材料的楔形声学黑洞结构，运用几何声学的方法对阻尼层逡逑的影响进行分析．当声学黑洞结构发生弯曲变形时，表面的阻尼层也一起发生变形，且逡逑弯曲变形的位移与结构长度方向位移之间的关系为运用逡逑包含约束阻尼层的悬臂梁的弯曲振动理论，可以对等厚度阻尼材料的影响进行简化分逡逑析，把其产生的结构阻尼等效为材料损失因子（Ｒｏｓｓ邋ｅｔａｌ．邋１９６０）．在分析粘贴阻尼材逡逑料的一维声学黑洞结构中弯曲波的衰减时，可以采用将阻尼层产生的等效损失因子和逡逑声学黑洞结构本身的材料损失因子同时引入波数的虚部（Ｋｒａｖｃｈｕｎ邋１９９１）．对于两边逡逑均附着阻尼材料的声学黑洞结构，其波数虚部可表述为逡逑ｌｍｋ（ｘ）＝逡逑／ｌ１／２（ｘ）邋Ｊ逡


本文编号：2566788