一种直立式低频多模态振动抑制器及其应用方法

1.本发明涉及抑振器技术领域，具体涉及一种直立式低频多模态振动抑制器及其应用方法。


背景技术：

2.现代战场的主要矛盾已经从“打击”与“抗打击”逐步向“发现”与“抗发现”转化，水下航行器作为水中作战平台，由于其在水中具有较大的下潜深度、良好的隐身机动性能、极强的作战能力，在领海防卫中具有重要作用。水下航行器之所以由这样高的地位，就在于它的隐蔽性，而影响水下航行器隐蔽性的最主要因素是辐射噪声。如何降低水下航行器的辐射噪声，提高其隐蔽性，更好地发挥其长处，是水下航行器中最重要的课题之一。目前通常采用隔声、减振等技术手段控制声源的声辐射。在艇体表面敷设声学覆盖层是提高水下航行器声隐身能力的重要手段，根据功能的不同，覆盖层可分为：吸声瓦、隔声瓦、抑振瓦等，水下航行器的低频辐射噪声主要成分为线谱噪声，而声学覆盖层的厚度限制导致其主要针对高频连续谱噪声进行抑制，因此对于低频线谱噪声的抑制效果不佳，低频噪声抑制器作为一种特殊形式的声学覆盖层产品，也许可以弥补常规的声学覆盖层在低频噪声控制上的不足。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种直立式低频多模态振动抑振器及其应用方法，以解决现有技术中针对水下航行器低频线谱噪声抑制效果不佳的问题。
4.为达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：
5.本发明提供了一种直立式低频多模态振动抑制器，包括：底部柱状底座；所述底部柱状底座上叠加等径的底部柱壳；所述底部柱壳上依次重复叠加等径的环形板、中间柱壳；所述环形板数量依照需要抑制的纵向共振模态频率数量决定，数个所述环形板之前平行设置；所述环形板、底部柱状底座的杨氏模量根据对应抑制的纵向共振模态频率计算获取；所述底部柱壳为桶状，所述底部柱壳顶部开口、底部密封；所述中间柱壳为管状；所述环形板的环心嵌入振子。
6.进一步地，所述底部柱状底座、环形板的材质为橡胶；所述底部柱壳、中间柱壳、顶部柱壳的材质为金属。
7.进一步地，所述底部柱状底座、底部柱壳、中间柱壳、顶部柱壳整体可以抑制一种纵向共振模态频率。
8.进一步地，所述环形板，内嵌振子整体可以抑制一种纵向共振模态频率。
9.进一步地，底部柱状底座的杨氏模量计算公式为：
[0010][0011]
其中，kb为基础动力吸振器元件的刚度；h2为底部柱状底座的高度；r2为底部柱状
底座的半径；mn为底部柱状底座的形状系数，该形状系数与底部柱状底座的约束面积、自由面积之比有关。
[0012]
进一步地，内嵌所述振子的所述环形板的杨氏模量计算公式如下：
[0013][0014]
其中，ρ为环形板的密度；σ为环形板的泊松比；a为环形板的半径；h为环形板的高度；μn为振子的基频系数，该基频系数与振子的密度及几何尺寸有关；ks为次级动力吸振器元件的刚度；ms为次级动力吸振器元件的质量。
[0015]
进一步地，每层所述振子的质量相同，每层所述振子的高度与相嵌的所述环形板高度相同。
[0016]
本发明还提供了一种直立式低频多模态振动抑制器应用方法，将数个所述直立式低频多模态振动抑制器以阵列排布的方式布置在待抑制结构表面。
[0017]
进一步地，在布置之前，还包括先将待抑制结构表面进行网格化划分，划分成数个小区域，每个小区域中放置一个所述直立式低频多模态振动抑制器，数个所述直立式低频多模态振动抑制器形成阵列排布。
[0018]
进一步地，将待抑制结构表面进行网格化划分的具体方法为：先根据如下公式获取待抑制结构的数个最大变形处坐标，具体公式如下：
[0019][0020]
其中，m、n分别为x方向与y方向的模态阶数，la、lb分别为平板的长度和宽度；
[0021]
再根据最大变形处坐标的数量对待抑制结构表面进行网格化划分。
[0022]
进一步地，所述获取待抑制结构的数个最大变形处坐标公式中，m的取值为1、2；n的取值为1、2。
[0023]
进一步地，一个所述直立式低频多模态振动抑制器与待抑制结构表面的接触面积为所述小区域面积的1/6。
[0024]
进一步地，所述底部柱状底座、底部柱壳、中间柱壳的整体质量小于待抑制结构小区域处质量的0.1-0.2倍。
[0025]
进一步地，所述振子质量为所述底部柱状底座、底部柱壳、中间柱壳的整体质量的1/3。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
本发明的直立式低频多模态振动抑制器，设计成层叠式结构，每层之间进行胶黏，橡胶件可以根据本发明给出的公式进行计算，易于加工、装配，整体成本低。本发明的直立式低频多模态振动抑制器的应用方法，阵列布置后的直立式低频多模态振动抑制器，使得待抑制结构的峰值振动响应、整体振动响应相对于现有抑振器，有明显的降低。
附图说明
[0028]
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0029]
图1是多重动力吸振器理论模型；
[0030]
图2是本发明的俯视图；
[0031]
图3是本发明的a-a截面侧剖图；
[0032]
图4是本发明侧视图；
[0033]
图5是本发明b-b截面剖视图；
[0034]
图6是本发明形成阵列后附连于平板的俯视图；
[0035]
图7是平板在附连本发明所涉及抑振器阵列前后以及附连现有抑振器阵列前后的表面平均加速度级频响曲线。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
本发明实施例提供一种直立式低频多模态振动抑制器，如图1-图5所示，其对低于1khz的低频噪声进行抑制，包括：底部柱状底座1；底部柱状底座1上叠加等径的底部柱壳2；底部柱壳2上依次重复叠加等径的环形板、中间柱壳3；每层之间通过胶黏；环形板数量依照需要抑制的纵向共振模态频率数量决定；环形板、底部柱状底座1的杨氏模量根据对应抑制的纵向共振模态频率计算获取；底部柱壳2为桶状，底部柱壳2顶部开口、底部密封；中间柱壳3为管状；环形板的环心嵌入振子。其中，底部柱状底座1、环形板的材质为橡胶；底部柱壳2、中间柱壳3、顶部柱壳的材质为金属。
[0038]
振动抑制器的抑制频率是和其各部件的刚度有关，如图1所示，本发明振动抑制器整体可等效为一种多重动力吸振器理论模型，该多重动力吸振器的两个次级动力吸振器并联后与基础动力吸振器串联。其中，底部柱状底座1和几层柱壳可等效为基础动力吸振器，其等效刚度和等效质量分别为kb、mb；两个内嵌振子环形板可分别等效为两个次级动力吸振器，其刚度和质量分别为k
s1
、ms、k
s2
、ms。
[0039]
如图2所示，在底部柱壳2上叠加了两层中间柱壳3和环形板，通过两个环形板加上视为整体的底部柱状底座1、底部柱壳2、中间柱壳3，可以对1khz以内的3个主要模态频率进行抑制。
[0040]
在设计抑振器时，首先要根据待抑制结构的特性对待抑制器结构表面进行网格化划分，具体方式如下：
[0041]
先根据如下公式获取待抑制结构的数个最大变形处坐标，具体公式如下：
[0042][0043]
其中，m、n分别为x方向与y方向的模态阶数，la、lb分别为平板的长度和宽度；
[0044]
再根据最大变形处坐标的数量对待抑制结构表面进行网格化划分。
[0045]
因为是针对1khz的低频噪声进行抑制，有效的模态阶数为4个，所以m的取值为1、2；n的取值为1、2。
[0046]
由上式可知，待抑制结构的第(1,1)阶模态即m＝1、n＝1时的最大变形处坐标为
第(1,2)阶模态即m＝1、n＝2时的最大变形处坐标为第(2,1)阶模态即m＝2、n＝1时的最大变形处坐标为第(2,2)阶模态即m＝2、n＝2时的最大变形处坐标为以上4阶模态共包含9个最大变形位置，这9个位置形成了3
×
3阵列。
[0047]
将抑振器分别布置在这9个小区域中，即可针对待抑制结构的4阶模态进行振动控制。每个振动抑制器与待抑制结构表面的接触面积为当前小区域面积的1/6。同时在设计时，底部柱状底座1、底部柱壳2、中间柱壳3的整体质量小于待抑制结构小区域处质量的0.1-0.2倍，振子质量为底部柱状底座1、底部柱壳2、中间柱壳3的整体质量的1/3。由此就可以根据振动抑制器的底面积、振动抑制器每个部件的质量以及振动抑制器每个部件选取材质的密度，获取各个部件的高度。
[0048]
当振动抑制器的各个部件的密度、高度、质量都已经设计、计算好后，就可以根据所要抑制的纵向共振模态频率和这些数据获取各个部件的杨氏模量，用于制造，具体如下：
[0049]
底部柱状底座1、底部柱壳2、中间柱壳3、顶部柱壳的总杨氏模量获取方法为：先将底部柱壳2、中间柱壳3、顶部柱壳看做一块均匀质量块，再通过如下公式计算底部柱状底座1杨氏模量；
[0050][0051]
其中，kb为基础动力吸振器元件的刚度；h2为底部柱状底座1的高度；r2为底部柱状底座1的半径；mn为底部柱状底座1的形状系数，该形状系数与底部柱状底座1的约束面积、自由面积之比有关。
[0052]
内嵌振子的环形板的杨氏模量计算公式如下：
[0053][0054]
其中，ρ为环形板的密度；σ为环形板的泊松比；a为环形板的半径；h为环形板的高度；μn为振子的基频系数，该基频系数与振子的密度及几何尺寸有关；ks为次级动力吸振器元件的刚度；ms为次级动力吸振器元件的质量。
[0055]
振子、底部柱壳2、中间柱壳3均为金属材质，其杨氏模量基本固定，所以主要获取材质为橡胶的底部柱状底座1、环形板的杨氏模量，根据获取的杨氏模量制造橡胶件。
[0056]
以上述过程设计振动抑制器后，振动抑制器就具有抑制待抑制结构的三种纵向共振模态频率的功能。
[0057]
以下根据实际例子对本发明进行说明：
[0058]
与抑振器等效的多重动力吸振器理论模型的各参数与待抑振结构的模态频率ω存在以下关系：
[0059]
[0060]
该行列式本质上是关于圆频率ω2的三次方程：
[0061]
a(ω2)3+b(ω2)2+cω2+d＝0
ꢀꢀ
(2)
[0062]
其中，a＝-mbm
s1ms2
；
[0063]
b＝m
s1ms2
(kb+k
s1
+k
s2
)+mbm
s2ks1
+mbm
s1ks2
；
[0064]
c＝-[k
s1ks2
(mb+m
s1
+m
s2
)+kbk
s2ms1
+kbk
s1ms2
]；
[0065]
d＝kbk
s1ks2
。
[0066]
式(2)可以在已知模态频率的条件下确定各项参数。为降低计算难度，取mb：ms＝α，此时问题本质为已知根求一元三次方程的系数。通过应用一元三次方程根与系数的关系，可以将式(2)转化为关于kb的一元三次方程：
[0067][0068]
其中，
[0069][0070][0071]
通过求解式(3)可得到kb，将kb代回式(4)中可得到k
s1
，k
s2
，此时多重动力吸振器的参数全部确定。在结构固有频率ω已知的条件下，通过以上步骤即可确定动力吸振器刚度。
[0072]
待抑制结构的长、宽分别为320mm、240mm；其9个最大变形处坐标为：(0.08，0.06)，(0.16，0.06)，(0.24，0.06)，(0.08，0.12)，(0.16，0.12)，(0.24，0.12)，(0.08，0.18)，(0.16，0.18)，(0.24，0.18)，根据坐标对其进行3
×
3网格化划分，由于小区域中心所在位置与选定4阶模态的9个最大变形位置基本一致，出于简化考虑，每个抑振器均布置在小区域中心处，即如图5所示，每个小区域的面积为：0.0085m2，此时底部柱状底座1的直径r2取整为20mm，面积为：0.013m2。当每个小区域的质量为：0.134kg时，底部柱状底座1、底部柱壳2、中间柱壳3的整体质量取：0.0151kg，由于抑制器过高会导致其稳定性下降，因此取柱壳总高度为底部柱状底座1高的2倍，根据质量、面积、密度、高度公式，底部柱壳2、中间柱壳3的总高度为：27mm，底部柱状底座1的高度为：13.5mm；该柱壳总高度为无底柱壳的高度，进一步考虑底部柱壳2的底部密封特性，修正后柱壳总高度为17.7mm。
[0073]
本具体实施例选取4阶模态中的3个模态频率进行抑制，其中第(1，1)阶模态频率为129hz，第(1，2)阶模态频率为269hz，第(2，2)阶模态频率为517hz。根据以上三个模态频率可以分别计算得到理论模型中基础动力吸振器的刚度kb为1.3
×
105n/m，次级动力吸振器的刚度k
s1
为1.7
×
104n/m、k
s2
为3.42
×
103n/m。根据底部柱状底座1杨氏模量计算公式计算底部柱状底座1杨氏模量为：
[0074]
将相关参数代入公式
[0075][0076]
设计时为了考虑计算出的环形板杨氏模量适合生成制造，设计顶层的环形板5高度为：1.5mm；环形板中嵌入的振子质量为为底部柱状底座1、底部柱壳2、中间柱壳3的整体质量的1/3，即为：0.005kg，下层的振子67半径r2为11.6mm；根据内嵌振子的环形板的杨氏
模量计算公式计算顶层的环形板5杨氏模量：
[0077][0078]
设计时为了考虑计算出的环形板杨氏模量适合生成制造，设计中间的环形板5高度为：1mm；环形板中嵌入的振子质量为为底部柱状底座1、底部柱壳2、中间柱壳3的整体质量的1/3，即为：0.005kg，下层的振子半径r3为14.2mm；根据内嵌振子的环形板的杨氏模量计算公式计算顶层的环形板5杨氏模量：
[0079][0080]
将图2所示模型导入有限元分析软件comsol中，对平板进行建模后，将图2所示模型以图6所示方式阵列与平板上，几何建模过程完成。添加“固体力学”物理场接口，完全约束平板每个边界的切向位移以完成对板四边简支边界条件的模拟。剖分网格后，在图6所示f位置处施加一大小为1n的垂向扫频激励力。
[0081]
计算完成后提取平板下表面的平均加速度，并转化为平均加速度级，如图7所示。对比平板结构在附连直立式低频多模态振动抑制器前后的平均加速度级频响曲线可知，本发明形成阵列后能够有效抑制平板的振动响应，平板在应用本发明所形成阵列后，峰值振动响应降低50db，整体振动响应平均降低6.7db。图7中还将本专利涉及抑振器与现有抑振器进行了对比，该现有抑振器在轴向上仅有一个模态，且该模态对应平板第四阶模态，因此该现有抑振器阵列仅能抑制平板第四阶模态共振峰，而本专利涉及抑振器能够抑制平板多阶模态共振峰，且与现有抑振器相比，平板在应用本发明所形成阵列后整体振动响应平均降低2.4db。因此适应性更广，抑振性能更佳。
[0082]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。