局域共振型加筋板结构的带隙理论与减振降噪特性研究

Due to high-stiffness and light-weight properties, periodic stiffened plates are widely used in trains, airplanes, submarines, and many other systems. The vibration/noise of stiffened plates always significantly decreases the performance of the relating systems, thus it is very important to investigate the techniques of controlling vibration/noise of stiffened plates. In this project, we introduce the idea of locally resonant phononic crystal into the design of stiffened plates. By mounting periodic arrays of local resonators to stiffened plates, we obtain a new type structures called locally resonant stiffened plates. It is found that by appropriate design locally resonant stiffened plates can exhibit band gaps in which flexural waves in stiffened plates can be significantly attenuated, thus resulting in a reduction of vibration/noise. In this project, we will study the methods for the calculation of band gaps and vibro-acoustic behavior of locally resonant stiffened plates, explore the band gap behavior and formation mechanisms, and examine the performance and mechanisms of vibration/noise reduction. The output of this project will be helpful for the understanding of band-gap behavior and vibration/noise reduction properties of locally resonant stiffened plates, which will facilitate their application in engineering.

加筋板结构刚度大、重量轻，是列车、飞机、潜艇等装备中最常见的结构形式之一。加筋板结构的振动/噪声是降低装备性能的重要因素，因此研究加筋板结构的减振降噪理论和技术具有重要意义。本项目提出将声物理前沿的局域共振型声子晶体思想引入到加筋板结构的减振降噪设计，通过在加筋板结构上附加周期阵列的局域共振单元，构建了局域共振型加筋板结构。这种新型结构经特殊设计可以表现出显著的弹性波带隙（禁带）特性，利用其带隙可以有效地抑制加筋板中的弯曲波传播，进而实现对加筋板结构的减振降噪。本项目围绕局域共振型加筋板结构的带隙及声振特性计算方法、带隙调控规律与带隙形成机理、减振降噪特性及机理等方面开展系统深入研究。项目的研究结论将有助于加深对局域共振型加筋板结构的带隙行为和减振降噪特性的认识，为其工程应用提供重要的理论指导和技术支持。

加筋板结构刚度大、重量轻，是列车、飞机、潜艇等装备中最常见的结构形式之一。加筋板结构的振动/噪声是降低装备性能的重要因素，因此研究加筋板结构的减振降噪理论和技术具有重要意义。本项目提出将声物理前沿的局域共振型声子晶体思想引入到加筋板结构的减振降噪设计，通过在加筋板结构上附加周期阵列的局域共振单元，构建了局域共振型加筋板结构。这种新型结构经特殊设计可以表现出显著的弹性波带隙（禁带）特性，利用其带隙可以有效地抑制加筋板中的弯曲波传播，进而实现对加筋板结构的减振降噪。. 本项目围绕局域共振型加筋板结构的带隙及声振特性计算方法、带隙调控规律与带隙形成机理、减振降噪特性及机理等方面开展系统深入研究，取得的重要成果及其科学意义包括：(a) 系统建立了局域共振型加筋板的带隙特性、振动和声辐射特性计算方法，为其减振降噪研究奠定了方法基础。(b) 深入研究了局域共振型加筋板结构的弯曲波带隙特性和减振特性，分析了共振单元的弹簧刚度和共振子质量对带隙特性的影响，为其带隙特性设计提供了有益参考。(c) 开展了优化设计研究，对共振单元的弹簧刚度、附加质量和附加位置等三个最重要的影响参数进行了优化设计，得到很多满足目标需求的优化设计方案。(d) 系统分析了加筋板自身几何尺寸和材料参数对其振动与声辐射特性的影响，进一步研究了单频和多频局域共振型加筋板的声辐射特性，发现一些有价值的现象与结论，并揭示了减振降噪内在机理和调控规律，为局域共振型加筋板的减振降噪设计提供了依据和参考。(e)通过实验测试，验证了本项目所设计的局域共振型加筋板结构在带隙范围内具有良好的减振降噪效果。(1) 减振效果：带隙频率范围内振动幅值平均降低大于5dB。(2) 降噪效果：带隙频率范围噪声辐射功率平均降低5dB以上。从而，初步验证了基于带隙原理实现加筋板结构减振降噪的可行性。总之，本项目研究为局域共振型加筋板结构的减振降噪应用提供了重要的理论指导和技术支撑。