能够集中振动响应的结构、变厚度减振降噪结构及减振板材的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种结合阻尼层或动力吸振器（Dynamic Vibration Absorber, DVA) 的变厚度板减振降噪复合结构。所述复合结构可应用于有减振降噪要求的板式机械及建筑 构件中，如建筑物、汽车、轨道列车、船舶、飞机，运载火箭等。
【背景技术】
[0002] 为提高舒适度等性能，减振降噪是很多建筑及机械结构设计的一个重要指标。根 据基本的物理定律，增加系统质量是一种最简单而有效振动噪声控制方法。如在对质量增 加不敏感的场合，提高板结构（如建筑物墙体）的面密度可以显著提高结构的隔声水平 [1]。而这一措施在汽车、火车、飞机等交通工具的减振降噪应用中却作用有限。对于交通 工具，在降低结构振动噪声水平以提高舒适度的同时，还要尽可能的降低系统质量，实现轻 量化，从而减少能源消耗和排放污染。例如对于汽车而言，整车质量每减少10%，油耗及有 害气体排放量约可降低6%~8% [2]。
[0003] 附加阻尼层或动力吸振器（DVA)是控制汽车及火车车厢和飞机客舱等薄板结构 振动噪声水平的两种主要方式。阻尼层通常贴附于结构的表面，通过增加结构的阻尼、耗散 振动能量来达到减振降噪的效果。阻尼材料对振动噪声的衰减作用可以体现在结构工作的 所有频率上，尤以在结构自然频率附近最为明显。同时，阻尼减振的效果往往正比于材料的 密度、厚度与覆盖面积，即正比于附加质量。与阻尼层不同，DVA通过将主结构的振动能量 "吸收"转移的到附属结构中来控制主结构的振动噪声水平。因而DVA通常设计工作于结构 响应最大的某一或几个频率；同时附加于结构振动响应最大，即能量最大的空间点。这一工 作原理决定了 DVA是典型的窄带控制措施，其减振降噪效果仅限于其所设计频率及附近的 区域。DVA的作用效果和带宽一般与附加的DVA质量大小成正比，这一点与阻尼层类似。
[0004] 以上对两种典型振动噪声控制措施的简单分析可知，结构振动噪声响应的降低通 常以增加附加质量为代价，从而限制了结构整体（如车辆）轻量化程度的提高。在已有的 兼顾轻量化及减振降噪要求的技术实施方案中，复合夹芯板结构得到了广泛的讨论。
[0005] 板结构的噪声福射取决于在一定激励下板表面的振动响应，而其表面振动响应又 决定于板的模态响应特性。对应不同激振频率，板平面各处都有可能是响应极大值点。因 而降低板整体平均响应的一个保守做法是在整块板上附加阻尼层或多处附加大量DVA，这 显然不利于轻量化。可以想象，如果能将板响应最大点集中于某个或某几个区域，然后在这 些区域有针对性地施加控制措施，则可大大提高单位附加质量的振动噪声控制效果。由于 造成板结构噪声辐射的弯曲波的波速是板厚的函数，理论分析表明：当板厚按一定指数规 律从某一非零数值逐渐过渡到边缘厚度为〇时，弯曲波不会在边界发生反射，而是聚集在 便厚度板的边缘，此即"声聚焦"效应。
[0006] 根据这一原理，已有研究结果表明当有限大板上存在厚度按一定规律变化的变厚 度区域时，板在各频率激励下的振动响应最大值集中在变厚度区。如此时在变厚度区域附 加阻尼层或DVA，则可同时利用变厚度板的"声聚焦"效应及阻尼层的"耗能"及DVA的"吸 能"特点，提高单位附加质量的减振降噪效果，从而实现振动噪声控制效果最大化的同时保 持结构的轻量化。此即本发明提出的集成阻尼层或动力吸振器的变厚度板减振降噪结构的 理论基础。
【发明内容】
[0007] 本发明针对以上问题的提出，而研制的一种能够集中振动响应的结构，设置于平 面或曲面板材上，该结构的厚度由边缘向中心递减。通过设置厚度向中心递减的结构，使得 其所在板材内部的弯曲波能够聚集在变厚度结构的中心位置，形成声聚焦效应，使得遍布 板材的振动集中在变厚度结构的位置，便于采取相应的减振降噪措施。
[0008] 更进一步的，结构用于构成板式机械、建筑等结构时（如汽车车身），有利于在保 持整体轻量化的条件下实现对结构振动噪声响应的有效控制。
[0009] 根据理论分析，设板结构厚度按下式规律变化：
[0010] h (χ) = ε Xm (〇)
[0011] 式（0)中，h为板厚；χ为板长度方向坐标，χ彡0且χ = 0为板的边缘或厚度最小 处；ε和m为常数，其中m多2。此时板内弯曲波在板末端边缘处不会产生反射，即能量被 吸收在厚度趋于零的板末端。
[0012] 实际使用中，可以将公式（0)所示的变厚度特征集成到板式结构中。由于实际板 上任何位置的厚度都不可能为零，而只能趋于某一固定小量。设此值为h。，则板变厚度区的 厚度表达式为：
[0013] h(x) = exm+h0 (I)
[0014] 其中h。为结构中心区域的厚度；h(x)为沿χ方向结构各处厚度；结构中心点处设 χ = 〇 ;χ的最大取值，Xmax为从变厚度结构中心点到变厚度区域边缘的最大距离；h (Xmax)代 表板边缘最大厚度；ε和m为常数；当结构中心厚度，结构边缘最大厚度及其对应的1_值 和常数m均给定后，ε可由公式求出。
[0015] m出现在幂指数的位置，代表厚度变化一定是幂指数形式，且m必须大于等于2时 才会出现振动集中现象。一般的，2 3。
[0016] 作为优选的实施方式，所述的结构的水平正投影为圆形、椭圆形或者方形等形状， 只要满足厚度表达式（1)即可。
[0017] 特别的，当水平正投影为圆形时：
[0018] 结构的厚度变化包络线由如下公式以极坐标形式给出：
[0020] 其中0彡P彡r，〇S #<2π>结构圆心处为极坐标的零点，厚度为h。，h为板 厚；P为极径，其最大取值为r;识为极坐标角度，取值范围为0到2π弧度；m和ε为常 数;m取值大于等于2 ; ε取值在变厚度结构中心处的厚度最小值h。，边缘处的厚度最大值 /20-,炉:)，变厚度结构半径r及常数m给定后，可由公式（2)求出。
[0021] -种变厚度减振降噪结构，设置与平面或曲面板材上，包括所述的能够集中振动 响应的结构；以及设置在所述能够集中振动响应结构上的附加阻尼层和/或动力吸振器 DVA0
[0022] 作为优选的实施方式，所述的附加阻尼层为自由阻尼层，可通过粘贴或喷涂的方 式固定在所述的能够集中振动响应的结构内，形成变厚度减振降噪结构。
[0023] 更进一步的，所述的附加阻尼层为约束阻尼层，包括：位于表层的额外约束板和该 约束板下方的自由阻尼层，所述约束板为刚性板，可选用铝板等。
[0024] 作为优选的实施方式，所述的动力吸振器DVA为连续参数型动力吸振器。采用分 布（或连续）参数型动力吸振器便于控制厚度，即整个吸振器的高度与板基材的高度接近， 便于形成等厚度板。
[0025] 对于某些不要求使用等厚度板的场合，采用离散参数型动力吸振器或者其它类型 的动力吸振器也可达到相同的减振效果。
[0026] -种减振板材，该板材为平板或弧形板材，在板材的表面设有一个或多个所述的 变厚度降噪结构，形成一个或多个变厚度降噪区域。通过将板振动能量相对集中到变厚度 区域中，然后在该结构内有针对性地附加阻尼层或DVA，显著增强了单位附加质量对板结构 振动噪声控制的有效性，从而有利于在控制结构振动噪声响应的同时实现整体的轻量化。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图Ia为变厚度板加阻尼层正视图；
[0029] 图Ib.变厚度板加阻尼层侧面结构剖视图；
[0030] 图Ic.变厚度板加约束阻尼层侧面结构剖视图；
[0031] 图2a.集成多个变厚度单元与DVA的变厚度板结构正视图；
[0032] 图2b.变厚度板附加集总参数DVA的侧面剖视图；
[0033] 图2c.变厚度板附加分布参数DVA的侧面剖视图；
[0034] 图3.具有2个变厚度区域的变厚度板实际算例示意