兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构及设计方法

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1.本发明涉及工程应用中的声波调控与减振领域，尤其是涉及一种兼具低宽频吸声和低宽频减振功能的面心立方夹芯结构及设计方法。

背景技术：

2.随着航空航天飞行器、新能源汽车、高速列车、船舶、潜艇等装备的飞速发展，其对噪声、振动、轻质高强的要求标准越来越高。高噪声对其中运载或操作人员的身心健康有着极大的影响；仪器和设备的运行对振动十分敏感；强度更是在结构设计中的底线与保障，因此如何设计出多功能一体化的结构是极具价值的关键问题。
3.吸声降噪方面，传统的阻性吸声材料是十分有效的吸声手段，但其受到材料与尺寸的局限，例如吸声棉通常都柔软且易燃，需要与阻燃材料相结合。当下，共振结构被广泛应用于各种设备的吸声设计中。例如应用在航空发动机短舱中的声衬，常见的声衬由微穿孔板和蜂窝结构复合而成，其共振吸声原理类似于亥姆霍兹共振器。但是此类吸声结构一般作用频带较窄且尺寸受限于作用频率，难以对低频噪声实现宽频吸收。
4.减振方面，无论是发动机叶片，或者环境扰动都会产生振动，同时结构越是做薄、做轻，其振动就越难控制。传统的减振方式有在振动传播路径中添加橡胶垫等阻尼材料，或者提高结构刚度等。但他们依旧存在着问题，如：材料老化，需要经常检查或更换，导致维护成本提高，或者导致结构质量过大，生产成本提高。
5.中国专利cn114582310a公开了一种兼具力学承载和低宽频吸声功能的波纹夹芯结构，但是，无法兼顾低宽频减振和低宽频吸声功能。
6.综上，基于以上现有技术，当下的多功能一体化结构还有许多待发展需求，因此研发一种集低频宽带吸声、减振一体化的结构在工程实际应用中很有必要。

技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构及设计方法，微穿孔连通单胞中的各个腔体，从而使声波通过上表面的螺旋狭缝与芯板上的微穿孔逐层进入腔体，利用孔与缝对声波的耗散以及腔体的共振效应使结构具备低频吸声能力，并进一步利用非局域耦合效应，并联多个单胞，达到宽频吸声的效果。同时螺旋狭缝的存在为结构带来了局域共振基元，为低频减振设计提供了有力支持。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，包括多个单胞，所有的单胞以行列形式平铺排布在一起；
10.所述单胞的结构为面心立方结构，包括上面板、下面板、侧板和面心立方芯子，上面板和下面板平行设置，侧板的顶部和底部分别连接上面板和下面板，上面板、下面板和侧板之间形成腔体，所述面心立方芯子设置在腔体内，由多个倾斜芯板相连接组成，所述倾斜
芯板倾斜于上面板和下面板，倾斜芯板上设置有多个微穿孔，上面板上设有一组螺旋狭缝。
11.优选地，所述面心立方芯子由4个倾斜芯板相穿插连接组成，4个倾斜芯板与上面板之间形成四棱锥结构的第一空气腔，4个倾斜芯板与下面板之间形成四棱锥结构的第二空气腔，相邻的3个倾斜芯板与一个侧板的上半部分之间形成三棱锥结构的第一侧空气腔，相邻的3个倾斜芯板与一个侧板的下半部分之间形成三棱锥结构的第二侧空气腔，在侧板与侧板形成的拐角结构处，4个倾斜芯板与拐角结构之间形成六面体结构的第三侧空气腔。
12.优选地，所述第一空气腔和第一侧空气腔通过微穿孔相连，第二空气腔和第二侧空气腔通过微穿孔相连，第一侧空气腔和第三侧空气腔通过微穿孔相连，第二侧空气腔和第三侧空气腔通过微穿孔相连。
13.优选地，所述上面板、下面板、侧板和面心立方芯子为一体成型结构，且材料相同。
14.优选地，所述上面板、下面板、侧板和面心立方芯子为分体成型结构，不同区域的材料根据设计需要选择。
15.优选地，相邻的单胞共用一个侧板。
16.一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构的设计方法，包括以下步骤：
17.s1、获取面心立方夹芯结构的总体厚度，生成上述的面心立方夹芯结构作为整体模型；
18.s2、根据面心立方夹芯结构的整体模型，构建吸声函数；
19.s3、基于吸声函数，按照设计需求制定所需要的吸声谱，利用优化算法到符合吸声要求的尺寸参数；
20.s4、利用一个单胞的能带计算得到整体模型的禁带范围，调节上面板和下面板的厚度使得禁带的位置、宽度符合设计需求。
21.优选地，整体模型中可调节的参数包括：所述上面板的螺旋狭缝的数量、宽度以及螺旋结构的参数；所述倾斜芯板上微穿孔的数量、半径；所述单胞的尺寸参数；所述上面板和下面板的厚度。
22.优选地，所述优化算法包括但不限于强化学习、遗传算法、粒子算法。
23.优选地，步骤s3中，基于吸声函数，按照设计需求制定所需要的吸声谱，所使用的吸声系数阈值预设置为0.8。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.(1)本发明提供一种兼具低宽频吸声和低宽频减振功能的面心立方夹芯结构，相比于传统用于减振降噪的夹芯结构，本技术的设计提高了结构的承载能力，局域共振功能基元的设计能够对低频振动进行有效衰减，每个单胞具备独立的可设计吸声谱，并能够进一步通过弱共振相干耦合效应实现低频宽带吸声。
26.(2)本发明提供一种具有低频减振降噪效果的面心立方夹芯超结构，通过纵向的侧板与面心立方结构的芯子组合，提高了结构的稳定性与力学性能。
27.(3)本发明提供一种具有低频减振降噪效果的面心立方夹芯超结构，巧妙地改变上面板狭缝的形式与排列，形成一组螺旋狭缝，通过引入螺旋臂与弹性质量块构成局域共振功能基元，大大降低了结构实现减振降噪的频率范围，并利用上下面板共振结合提高减振效果。
28.(4)本发明提供一种兼具低宽频吸声和低宽频减振功能的面心立方夹芯超结构，
所设计结构均为一体化设计，实际加工既可以实现一体成型，也可以依据需求分体成型，结构简单，易于工程中的实际应用。
附图说明
29.图1为本发明的结构示意图；
30.图2为单胞的结构透视图；
31.图3为单胞的空气部分示意图；
32.图4为实施例1吸声理论、仿真、实验吸声系数对比图，也包括了其中单个单胞的理论吸声谱；
33.图5为实施例1中禁带与透射传输损失的仿真结果；
34.图6为实施例1中吸声测试样品图；
35.图7为实施例1中减振结构透射仿真结果图；
36.附图标记：q1、第一空气腔，q2、第二空气腔，q3、第一侧空气腔，q4、第二侧空气腔，q5、第三侧空气腔。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
38.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。
39.在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
40.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
42.实施例1：
43.一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，如图1所示，包括多个单胞，所有的单胞以行列形式平铺排布在一起；
44.单胞的结构为面心立方结构，包括上面板、下面板、侧板和面心立方芯子，上面板
和下面板平行设置，侧板的数量为4个，侧板的顶部和底部分别连接上面板和下面板，上面板、下面板和侧板之间形成腔体，面心立方芯子设置在腔体内，面心立方芯子由多个倾斜芯板相连接组成，倾斜芯板倾斜于上面板和下面板，倾斜芯板上设置有多个微穿孔，上面板上设有一组螺旋狭缝，形成超构表面，下面板是平整的。
45.单胞为面心立方结构，单胞的结构透视图如图2所示，单胞的空气部分示意图如图3所示，面心立方芯子由4个倾斜芯板相穿插连接组成，4个倾斜芯板与上面板之间形成四棱锥结构的第一空气腔q1，第一空气腔q1与上面板的螺旋狭缝连通，4个倾斜芯板与下面板之间形成四棱锥结构的第二空气腔q2，相邻的3个倾斜芯板与一个侧板的上半部分之间形成三棱锥结构的第一侧空气腔q3，一个单胞中第一侧空气腔q3的数量为4个，相邻的3个倾斜芯板与一个侧板的下半部分之间形成三棱锥结构的第二侧空气腔q4，一个单胞中第二侧空气腔q4的数量为4 个，在侧板与侧板形成的拐角结构处，4个倾斜芯板与拐角结构之间形成六面体结构的第三侧空气腔q5，也可以视为两个三棱锥结构拼合形成第三侧空气腔q5，一个单胞中第三侧空气腔q5的数量为4个。
46.第一空气腔q1和第一侧空气腔q3通过微穿孔相连，第二空气腔q2和第二侧空气腔q4通过微穿孔相连，第一侧空气腔q3和第三侧空气腔q5通过微穿孔相连，第二侧空气腔q4和第三侧空气腔q5通过微穿孔相连。
47.本技术通过上面板增加狭缝，在倾斜芯板上增加微穿孔来使空气进入单胞内部腔体，利用孔与缝对声波的耗散以及多层串联的腔体共振结构，突破传统吸声材料尺寸大小受制于声波波长的枷锁，实现了亚波长的低频吸声。通过细微调节微穿孔 /狭缝的尺寸参数，就能调整吸声作用的频域，进一步利用非局域耦合理论，通过阻抗调节，参数优化，最终实现低频宽带吸声。同时，巧妙地改变上面板狭缝的形式与排列，形成螺旋狭缝，相当于在上面板增加了由一个弹性质量块与四根螺旋臂组成的局域共振功能基元，打开了周期性面心立方夹芯结构的低频局域共振带隙，并进一步通过螺旋狭缝的尺寸调整来改变禁带位置、宽度，从而实现目标频域的减振需求。
48.在制造时，上面板、下面板、侧板和面心立方芯子可以选择一体成型，且材料相同，也可以根据需求分体成型，不同区域依据性能、成型难易等需求选取不同材料、不同加工方式。本实施例采用一体化成型，材料为环氧树脂。可以理解的是，所有单胞的上面板可以一体成型，也可以相互拼接在一起，所有单胞的下面板可以一体成型，也可以相互拼接在一起，相邻的单胞可以共用一个侧板，同行/列的侧板可以一体成型，也可以相互拼接在一起。
49.其他实施方式中，面心立方芯子可以通过波纹板构成，波纹板上的倾斜板作为倾斜芯板，先正交穿插两个波纹板构成半层芯子，再将半层芯子镜像对称，再加上正交竖直芯板作为垂直芯板分隔每个单胞，就能得到整个面心立方夹芯结构的芯子。
50.一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构的设计方法，包括以下步骤：
51.s1、获取面心立方夹芯结构的总体厚度，生成上述的面心立方夹芯结构作为整体模型；整体模型中可调节的参数包括：上面板的螺旋狭缝的数量、宽度以及螺旋结构的参数；倾斜芯板上微穿孔的数量、半径；单胞的尺寸参数；上面板和下面板的厚度；
52.s2、根据面心立方夹芯结构的整体模型，构建吸声函数；吸声性能的设计主要依附于结构上表面的声阻抗与空气声阻之间的匹配。基于微穿孔/缝板理论以及层级串联空腔模型可以得到单胞的表面阻抗表达式，进一步利用并联阻抗耦合理论得到整体结构的表面
阻抗，从而得到整体结构的吸声频谱。
53.s3、基于步骤s2得到的吸声函数，按照设计需求制定所需要的吸声谱，建立目标函数，利用强化学习、遗传算法、粒子算法等优化算法到符合吸声要求的尺寸参数，完成吸声要求设计；
54.步骤s3中，基于吸声函数，按照设计需求制定所需要的吸声谱，所使用的吸声系数阈值预设置为0.8。
55.s4、利用一个单胞的能带计算得到整体模型的禁带范围，调节上面板和下面板的厚度使得禁带的位置、宽度符合设计需求。在本实施例中，通过调节下面板厚度，能够将上面板振子与下面板中心两个局域共振带隙叠加，进一步拓宽了减振频域并提高了减振效果。
56.本实施例中最终得到的结构整体厚度为37.5mm，其中上面板厚度为4mm，下面板厚度为1mm，芯板厚度为1mm，芯板倾角为45
°
。不同单胞倾斜芯板微穿孔直径分别为：2.0mm，1.3mm，2.2mm，1.7mm，1.4mm，1.5mm，1.8mm，1.5mm， 1.4mm。吸声谱如图4所示，实现了500-750hz频率的吸声，吸声系数均值高于 0.85。同时，在700-750hz实现50db以上的减振效果，如图5所示。实现了在同一频域内的吸声减振功能一体化。
57.从模拟和实验上对设计得到的低频宽带减振降噪多功能一体化面心立方夹芯结构的吸声性能与减振性能进行了验证，如图4、图5所示。图6所示是使用3d 打印制造的实验样品。如图4所示，是结构吸声理论、模拟和实验的对比图，从图中可以看出，该结构在500-750hz可以实现一段准完美的吸声。如图5所示，是该结构根据能带计算出的禁带范围与仿真透射传输损失频谱结果，实现了700-750hz 高质量的减振效果，图7展现了隔振频域的透射位移谱，能量被局域在振子处无法向后传播。吸声与减振作用频域重叠，充分实现了目标频域减振降噪一体化的设计目的。
58.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，其特征在于，包括多个单胞，所有的单胞以行列形式平铺排布在一起；所述单胞的结构为面心立方结构，包括上面板、下面板、侧板和面心立方芯子，上面板和下面板平行设置，侧板的顶部和底部分别连接上面板和下面板，上面板、下面板和侧板之间形成腔体，所述面心立方芯子设置在腔体内，由多个倾斜芯板相连接组成，所述倾斜芯板倾斜于上面板和下面板，倾斜芯板上设置有多个微穿孔，上面板上设有一组螺旋狭缝。2.根据权利要求1所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，其特征在于，所述面心立方芯子由4个倾斜芯板相穿插连接组成，4个倾斜芯板与上面板之间形成四棱锥结构的第一空气腔，4个倾斜芯板与下面板之间形成四棱锥结构的第二空气腔，相邻的3个倾斜芯板与一个侧板的上半部分之间形成三棱锥结构的第一侧空气腔，相邻的3个倾斜芯板与一个侧板的下半部分之间形成三棱锥结构的第二侧空气腔，在侧板与侧板形成的拐角结构处，4个倾斜芯板与拐角结构之间形成六面体结构的第三侧空气腔。3.根据权利要求2所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，其特征在于，所述第一空气腔和第一侧空气腔通过微穿孔相连，第二空气腔和第二侧空气腔通过微穿孔相连，第一侧空气腔和第三侧空气腔通过微穿孔相连，第二侧空气腔和第三侧空气腔通过微穿孔相连。4.根据权利要求1所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，其特征在于，所述上面板、下面板、侧板和面心立方芯子为一体成型结构，且材料相同。5.根据权利要求1所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，其特征在于，所述上面板、下面板、侧板和面心立方芯子为分体成型结构，不同区域的材料根据设计需要选择。6.根据权利要求1所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构，其特征在于，相邻的单胞共用一个侧板。7.一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、获取面心立方夹芯结构的总体厚度，生成如权利要求1所述的面心立方夹芯结构作为整体模型；s2、根据面心立方夹芯结构的整体模型，构建吸声函数；s3、基于吸声函数，按照设计需求制定所需要的吸声谱，利用优化算法到符合吸声要求的尺寸参数；s4、利用一个单胞的能带计算得到整体模型的禁带范围，调节上面板和下面板的厚度使得禁带的位置、宽度符合设计需求。8.根据权利要求7所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构的设计方法，其特征在于，整体模型中可调节的参数包括：所述上面板的螺旋狭缝的数量、宽度以及螺旋结构的参数；所述倾斜芯板上微穿孔的数量、半径；所述单胞的尺寸参数；所述上面板和下面板的厚度。9.根据权利要求7所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构的设计方法，其特征在于，所述优化算法包括但不限于强化学习、遗传算法、粒子算法。10.根据权利要求7所述的一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构的设计
方法，其特征在于，步骤s3中，基于吸声函数，按照设计需求制定所需要的吸声谱，所使用的吸声系数阈值预设置为0.8。

技术总结

本发明涉及一种兼具低宽频吸声减振功能的面心立方夹芯结构及设计方法，包括多个单胞，所有的单胞以行列形式平铺排布在一起；单胞的结构为面心立方结构，包括上面板、下面板、侧板和面心立方芯子，上面板、下面板和侧板之间形成腔体，面心立方芯子设置在腔体内，由多个倾斜芯板相连接组成，倾斜芯板上设置有多个微穿孔，上面板上设有一组螺旋狭缝。与现有技术相比，本发明的结构设计中，微穿孔连通单胞中的各个腔体，利用孔与缝对声波的耗散以及腔体的共振效应使结构具备低频吸声能力，并进一步利用非局域耦合效应，并联多个单胞，达到宽频吸声的效果，同时螺旋狭缝的存在为结构带来了局域共振基元，为低频减振设计提供了有力支持。持。持。