1.本发明涉及船舶结构声学优化设计技术领域，尤其涉及一种基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座。


背景技术：

2.传统的船舶基座结构主要是用于承担设备重量，设计时主要考虑结构强度、安装方便等因素，常见结构由面板、腹板和肘板构成，基本不考虑其声学性能。
3.随着整船声学指标要求的提升，弹性隔振的潜力被深度挖掘，但仍然不能满足要求，通常基座是设备振动向船体传递的桥梁，因而，亟需对基座进行改进，提供一种基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座，以实现高效率振动能量吸收从而起到减振降噪功能，至少部分地解决上述问题。


技术实现要素：

4.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
5.为了至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座，所述船体复合阻波基座包括：基座面板；基座底板；基座腹板，所述基座腹板位于所述基座面板和所述基座底板之间；基座肘板，所述基座肘板构造为同时垂直于所述基座面板、所述基座底板以及所述基座腹板；其中，所述基座腹板和/或所述基座肘板上设置有多个声学黑洞结构，多个所述声学黑洞结构呈至少三条直线排布，任意相邻两条直线上的声学黑洞结构以不同的排布规则周期性布置。
6.由此，在所述基座腹板和/或所述基座肘板上设置有多个声学黑洞结构，声学黑洞通过结构厚度的改变实现结构阻抗逐渐变化，从而使得结构中弯曲波传播发生变化，在结构局部区域实现波的聚集，且所述多个声学黑洞结构呈至少三条直线排布，任意相邻两条直线上的声学黑洞结构以不同的排布规则周期性布置，能够实现高效率能量吸收以起到减振降噪的目的。
7.优选地，在任意一条呈直线排布的声学黑洞结构之间，根据相邻的两个声学黑洞结构之间最短间距的不同设置有不同长度的声学间断体，以使所述任意一条呈直线排布的声学黑洞结构通过所述声学间断体首尾相连。
8.由此，声学间断体有效阻波频率通常在数百赫兹以上，通过声学黑洞结构和声学间断体的配合，可向低频拓宽有效减振频段。即周期性排布的声学黑洞结构和声学间断体加剧了振动波在船体板架中的波形转换、散射和反射，以阻抑振动能量的传递，将减振的截止频率进一步下移。
9.优选地，所述声学黑洞结构包括自所述基座腹板和/或所述基座肘板的表面向内凹陷的凹陷部，所述凹陷部具有呈圆锥台形状的空腔和位于所述凹陷部中心位置处的中心
区域。
10.由此，通过上述的声学黑洞结构能够实现高效率振动能量吸收以起到减振降噪的目的。
11.优选地，从所述中心区域与所述空腔相连的第一边缘开始直到所述凹陷部的末端的第二边缘为止，所述空腔的腔壁为以指数函数变化区域。
12.由此，通过设置声学黑洞结构的厚度分布形式，能够改变结构阻抗，易于实现波的操纵。
13.优选地，在所述第二边缘位置处，所述声学黑洞结构的沿所述凹陷部凹陷方向的厚度所述指数函数以及所述声学黑洞结构的最大直径决定。
14.由此，所述基座腹板和/或所述基座肘板与声学黑洞结构过渡均匀，可尽可能避免因不连续而引起波的反射。
15.优选地，所述基座腹板和/或所述基座肘板和/或所述基座面板的表面设置有阻尼层。
16.由此，阻尼层利用剪切变形将振动能转化为热能，消耗大部分弯曲波能量，产生阻尼减振效果，抑制高频吻合效应与低频共振。
17.优选地，所述阻尼层的厚度为所述基座腹板和/或所述基座肘板的厚度的1-1.5倍。
18.优选地，所述声学间断体为横截面呈t型、h型、l型或矩形的安装件。
19.优选地，所述声学间断体与所述基座腹板和/或所述基座肘板接触部分的材料厚度为所述基座腹板和/或所述基座肘板的厚度的0.5-1倍。
20.优选地，所述声学间断体在所述基座腹板和/或所述基座肘板上的投影所形成的区域面积构造为不能完全覆盖所述声学黑洞结构。
附图说明
21.本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
22.附图中：
23.图1为根据本发明的一个优选实施方式的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座的立体视图；
24.图2为图1所示的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座的主视图；
25.图3为图1所示的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座的侧视图；
26.图4为图1所示的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座中声学黑洞结构的示意图；
27.图5为沿图4中a-a线所截的截面图，同时也示出了基座腹板；
28.图6为图5所示的声学黑洞结构中空腔的指数函数变化区域；
29.图7为根据本发明的一个优选实施方式的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座与现有技术基座的基座底板振动加速度级响应对比数据图；以及
30.图8为图1所示的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座中的单个基座段。
具体实施方式
31.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
32.应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
33.现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
34.以下，参照图1至图7，对根据本发明的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座进行详细的说明。
35.如图1所示，本发明的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座100主要包括基座面板110、基座底板120、基座腹板130，以及基座肘板140。基座腹板130位于基座面板110和基座底板120之间，基座肘板140构造为同时垂直于基座面板110、基座底板120以及基座腹板130。基座底板120的四周可以钻有间距在100mm-500mm范围内的多个螺纹孔或通孔121，以使基座底板120通过将连接件穿过该螺纹孔或通孔安装在船体的设定位置处。
36.具体地，基座腹板130和/或基座肘板140上设置有多个声学黑洞结构150，多个声学黑洞结构150呈至少三条直线排布，任意相邻两条直线上的声学黑洞结构150以不同的排布规则周期性布置。
37.在本实施方式中，如图1和图3所示，在基座腹板130和基座肘板140上均设置有多个声学黑洞结构150。现在，参考图1，详细说明设置在基座腹板130上的多个声学黑洞结构150的排布。
38.如图1所示，设置在基座腹板130上的多个声学黑洞结构150呈三行排布。可以理解，在其他实施方式中，多个声学黑洞结构150可以呈例如两行、四行排布，或者呈多列(例如8列，10列)排布。具体的行数和列数可以根据实际需求来设定。
39.从图1中可以看出，第一行的呈直线排布的多个声学黑洞结构150间距相等。这种任意相邻两个声学黑洞结构150间距相等的排布可以理解为按照第一排布规则进行布置。
40.第二行的呈直线排布的多个声学黑洞结构150可以大致分为若干个(例如4个)声学黑洞结构单元，每个声学黑洞结构单元可以包括两个或三个或其他合适数量的声学黑洞结构150。任意相邻的两个声学黑洞结构单元之间的间距为第一间距，在每个声学黑洞结构单元中，任意相邻的两个声学黑洞单元之间的间距为不同于第一间距的第二间距。可以理解，以这种方式进行排布的声学黑洞结构150是按照不同于第一排布规则的第二排布规则进行布置。
41.第三行的呈直线排布的多个声学黑洞结构150可以按照不同于第一、第二排布规则的第三排布规则进行布置。不同的排布规则可以理解为：相邻声学黑洞结构150之间的间距不同，循环的周期不同，这些可以根据实际需求相应设置。
42.当然，如图1和图2所示，第三行的呈直线排布的多个声学黑洞结构150可以按照与第一行一致的第一排布规则进行布置。虽然第一行和第三行的呈直线排布的多个声学黑洞结构150按照相同的排布规则进行布置，但是任意相邻的两行多个声学黑洞结构150的排布方式是不同的，因此可以实现设置在基座腹板130上的所有声学黑洞结构150的交叉周期布置，因此，能够实现高效率振动能量吸收或减振降噪的目的。
43.可以理解，在设置在基座腹板130上的多个声学黑洞结构150呈多列直线排布时(图中未示出)，需要满足任意相邻的两列声学黑洞结构150按照不同的排布方式进行布置，由此可以实现设置在基座腹板130上的所有声学黑洞结构150的交叉周期布置，进而能够达到高效率振动能量吸收以起到减振降噪的目的。
44.进一步地，在任意一条呈直线排布的声学黑洞结构150中，根据相邻的两个声学黑洞结构150之间最短间距的不同设置有不同长度的声学间断体160，以使该任意一条呈直线排布的声学黑洞结构150通过声学间断体160首尾相连。如图2所示，由于第一行和第三行的呈直线排布的多个声学黑洞结构150之间的间距相等，因此，相邻声学黑洞结构150之间的声学间断体160的长度均相等。由于第二行的呈直线排布的多个声学黑洞结构150之间的间距不同，因此，相邻声学黑洞结构150之间的声学间断体160的长度也不同。通过将每行的声学黑洞结构150与声学间断体160设置成首尾相连，能够实现高效率振动能量吸收以起到减振降噪的目的。
45.具体地，声学间断体160可以为横截面呈t型、h型、l型或矩形的安装件。在本实施方式中，声学间断体160为横截面呈t型的安装件。并且更具体地，声学间断体160的安装于基座腹板130和/或基座肘板140的部分的厚度为基座腹板130和/或基座肘板140的厚度的0.5-1倍。
46.优选地，声学间断体160在基座腹板130上的投影所形成的区域面积构造为不能完全覆盖声学黑洞结构150。可以理解，图2中所示的声学间断体160的宽度尺寸不能大于声学黑洞结构150的最大直径。
47.下面，参考图3，详细说明设置在基座腹板130上的多个声学黑洞结构150的排布。
48.在本实施方式中，如图3所示，多个声学黑洞结构150呈一列设置，相邻声学黑洞结构150之间设置有声学间断体160，且是通过声学间断体160的宽度方向延伸的部分实现声学黑洞结构150与声学间断体160的首尾相连。可以理解，如果基座肘板140足够大，其也可以像上述的设置在基座腹板130上的多个声学黑洞以及声学间断体160那样去排布。在此为了行文简洁，不再赘述。
49.可以理解，图1中能够看到的基座腹板130的表面设置有声学黑洞结构150和声学间断体，那么，基座腹板130的相对的另一表面也可以对称地设置有声学黑洞结构150和/或声学间断体160。同理，基座肘板140的两个相对表面均可以设置有声学黑洞结构150和/或声学间断体160。
50.更进一步地，在基座腹板130和/或基座肘板140和/或基座面板110的表面可以设置有阻尼层。由此，阻尼层利用剪切变形将振动能转化为热能，消耗大部分弯曲波能量，产
生阻尼减振效果，抑制高频吻合效应与低频共振。具体地，阻尼层的厚度可以为基座腹板130和/或基座肘板140的厚度的1-1.5倍。
51.接下来参考图4至图6，详细说明声学黑洞结构150的具体构造。
52.如图1、图4和图5所示，声学黑洞结构150可以包括自基座腹板130和/或基座肘板140的表面向内凹陷的凹陷部，凹陷部具有呈圆锥台形状的空腔151和位于凹陷部中心位置处的中心区域152。
53.具体地，如图4所示，从中心区域152与空腔151相连的第一边缘153开始直到凹陷部的末端的第二边缘154为止(图4中，第一边缘153直径为16mm，第二边缘154直径为80mm)，空腔151的腔壁为以指数函数变化区域。指数函数为h(x)＝ex
m
(指数m不小于2)。其中，h为空腔151的上下表面间的最短距离，x为声学黑洞结构150截面半径，e根据结构形式确定。若厚度变化指数函数中h1＝0.4mm，x1＝8mm，m＝2，e＝0.0625，则x在0至40mm范围内学黑洞的外形及截面如图6所示。
54.参考图5，在所第二边缘位置处，声学黑洞结构150的沿凹陷部凹陷方向的厚度等于声学黑洞结构150所在的基座腹板130(或者基座肘板140)的厚度。由此，基座腹板130和/或基座肘板140与声学黑洞结构150过渡均匀，可尽可能避免因不连续而引起波的反射。
55.接下来，详细说明利用有限元法设计本发明的包含声学黑洞结构150的基座时域载荷作用下的结构动力学响应问题。考虑到每个波长内至少包含10个单元以保证计算精度，以及每次运算成本，选取单个基座段101为研究对象，如图8所示，基座腹板130之间的间距为500mm，基座面板110和基座底板120的间距为480mm，声学间断体160横截面为36mm*36mm*6mm的t型梁。声学黑洞结构150均匀区域(中心区域152)半径为8mm，非均匀区域(abh)半径为40mm。基座腹板130和基座肘板140厚度为10mm，基座面板厚度为16mm，安装凸台111和底板厚度为20mm，阻尼层厚度为1倍板厚。为了计算高频数据、减小计算规模，取基座的其中一段作为计算分析对象(其中含有周期性声学黑洞结构150、声学间断体160和阻尼层)，单个基座段包含255395个节点，191692个高质量六面体单元。在基座上面板中心区域施加一个单位频域载荷(10hz-8khz扫频激励)，在基座底板120同一位置处选取5个点做能量平均，分别对比传统基座(没有周期性声学黑洞结构150、声学间断体160和阻尼层)和本发明的基座的基座底板120的加速度响应。
56.如图7可知，本发明的基座和传统基座相比，在全频段内(16hz-6.3khz)都有明显的减振效果(具体数据参见表1)，1250hz中频段附近的减振效果达到10db以上。值得注意的是，在200hz以下的低频段，仍具有5db以上的减振效果，实现低频振动波的有效减振，解决单一声学处理手段普遍存在的低频减振难题。本发明中，阻尼层(声学涂层)的引入可以增大结构整体的阻尼性能，通过减少弯曲波从声学黑洞结构150中的反射来强化声学黑洞效应。声学黑洞结构150和声学间断体160周期性布置，加剧了振动波在船体板架中的波形转换、散射和反射，散射和反射的声波能量可以二次或多次被周围的声学黑洞吸收，将减振的截止频率进一步下移。
57.对于基座承载能力分析中，在基座面板110中心区域施加三向10kn的载荷谱，本发明的基座和传统基座的最大应力分别为153mpa和145mpa，承载相当，均符合强度准则，声学黑洞结构150的加入并没有降低基座的承载能力，并且应力最大分布区域不在声学黑洞结构150附近，而在基座腹板130与基座底板120交接处，这与实际情况是相符合的。同时进一
步说明，对于一些承载要求高或承载方向特殊的普通隔振器不能使用的场合，本发明的基座是适用的，在满足承载要求的前提下同时具有良好的减振能力。
58.根据本发明的基于声学黑洞效应的船体复合阻波基座，在支撑动力装置的同时消耗传递路径上的振动能量，综合利用声学黑洞的带隙效应、阻抗失配和阻尼减振设计技术，加剧振动波在基座结构中的波形转换和反射，以阻抑振动能量传递，实现多重复合减振并显著提高减振效果，具有良好的经济性及广阔的应用前景，适用于船舶各种动力设备的基座结构。
59.本发明由于多种减振机理的相互作用，与传统基座结构型式相比，在中低频率范围内平均减振效果可提高10db以上，且对低-中-高频的减振效果更加明显，对船舶舱室减振降噪具有重要的工程应用价值。本发明对于安装空间紧凑和设备振动激励源较小的场所，可以省去减振器的安装空间，避免弹性支撑减振系统使用寿命短、稳定性差的缺陷，同时保证了对激励设备的隔振效能。对于振动激励源较大的设备，可以组合弹性支撑使用，进一步提高对设备的减振效果。
60.除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
61.本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。