聲波耗能在振動控制中的作用探討

摘要:耗能減振技術是振動控制技術中非常重要并且也得到廣泛應用的一種隔振技術，耗能減振技術主要通過在結構的某些部位增設耗能器或耗能部件，聲波耗能法就是利用聲波產生器將結構的振動能量轉化為聲波能量發射出去。本文以能量分析法為基礎，分析了影響聲波轉化為振動能的效率的幾個因素，并給出具體計算方法，最后結合工程實際說明了這個方法的有效性。

關鍵詞: 聲波能;振動耗能;能量分析法

中圖分類號: TU352.11

文獻標識碼: A

引言，環境中存在各種各樣的振動現象，工程中遇到的振動問題，在絕大多數情況下是有害的，高精度，高精密性設備的振動控制技術已經成為關鍵問題，有效的控制振動就顯得非常必要和迫切。振動控制的基本方法就是圍繞振動產生以及振動能量傳輸過程的三個環節(振源、傳輸途徑以及受保護對象)入手，分別采取控制振源(或受保護對象)以及阻隔振動能量傳輸途徑等措施來實施。耗能減振技術就是隔振技術中非常重要并且也得到廣泛

應用的隔振技術[1]。

1 傳統振動控制技術

耗能減振技術主要通過在結構的某些部位增設耗能器或耗能部件，為結構提供一定的附加剛度或附加阻尼，在地震作用或風荷載作用下主要通過耗能部件來耗散輸入結構的能量，以減輕結構的動力反應，從而更好地保護主體結構的安全，是一種有效、安全、經濟且日漸成熟的工程減震技術[2].

傳統的耗能器主要有鋼耗能器、鉛阻尼器、摩擦耗能器、粘滯流體阻尼器、黏彈性阻尼器、電感式耗能器、智能型耗能器，復合型耗能器[3]。

2聲波耗能法簡介

2.1 理論基礎

本文提出一種新的消耗振動能量的途徑，即聲波耗能法。

聲音是人們日常生活中很熟悉的客觀物理現象，聲音是由聲源的機械振動產生的，聲源的振動狀態，通過周圍介質向四周傳播就形成聲波。產生聲波的條件是:1)，有作機械振動的物體——聲源;2)有能傳播機械振動的介質[1]。

聲波能量具有容易產生，擴散方便等優點。聲波能量將振動能量轉化為聲波能的關鍵是將振動能量有效的轉化為聲波能。

為了證明將外部振動轉化為聲波發射出去的可行性，并且具有一定的效率，采用計算輸出能量和輸入能量之比的方法，即計算聲波能量的輸出和激勵振動輸入能量的比值的方法來計算聲波消耗振動能量的效率。

聲波能量的輸出由發聲單元的振動特性決定的，但是現在在未知發聲單元結構的情況下，只能根據發聲單元發出的聲波的能量情況來近似計算，由于聲波在傳播過程中的損耗，所以僅當在離開發聲單元最近的位置，聲波能量近似等于發聲單元的振動能量。

能量分析法

能量分析法的思想是在振動過程中輸入耗能減振結構體系的能量必須與結構體系內部能量的存儲、轉換和消能相平衡。即

(1)

式中， 為振動過程中輸入耗能減振體系的總能量，為耗能減振結構體系的勢能，為耗能減振結構體系的動能，為主體結構的黏制阻尼耗能，為主體結構的非彈性變形滯回耗能，為耗能裝置的耗能。[4]

工程設計中，為確保主體結構的安全，可近似認為振動能量全部由耗能減振吸收或耗散，上述方程可簡化為:

(2)

上式即可以作為耗能減振結構體系的能量設計方程，其中忽略了，，，等因素的影響，一方面簡化了計算，另一方面可作為結構的安全儲備。

計算過程:

①、發聲單元將自身的振動一部分轉化為聲波，而另一部分轉化為熱能，這里只計算轉化為聲波的那部分能量。

②、假設在離發聲單元很近的距離時，聲波是沒有損耗的。

2.2 振動能量轉化為聲波能的效率的計算方法:

因為無論多復雜的波形都可以看作是無數個簡諧波的疊加，所以通過計算簡諧波在一個周期內能量的轉換來實現計算的目的

彈性介質中取一線元，其質量

波形函數可以表示為:

(3)

質元動能:

(4)

質元形變勢能:

波形傳播速度:

質元波動能量:

介質中單位體積內的能量，能量密度等于:

(8)

能量密度在一個周期內的平均值為平均能量密度:

單位時間內通過截面S的能量等于體積uS中的能量，即為能流。

單位時間內通過垂直于波的傳播方向的單位面積上的能量為能流密度。

能流密度:

一個周期內能流密度大小的平均值稱為波的強度，波的強度即為度量波的能量大小的標志

上式指出波(注意，所有形式的機械波)的能量大小與傳播介質的密度，波的振幅，波的頻率以及波的速度有關。

2.3 算例

人能發出的聲音的頻率范圍為45Hz到1600Hz之間，樂器中發音頻率最高的是小提琴:196~1320為基音區，泛音為12KHz左右，這里是通過機械振動與摩擦的方式將振動能量轉化為聲波能，所以其產生聲波的頻率不會超過樂器所能發出的最高頻率。故計算頻率取小提琴能發聲的基本頻率1KHz。

考慮到聲波在空氣中的衰減，聲波離開發聲單元1cm處，在一分鐘內通過面積為區域的能量可以看作是沒有衰減的。

由于聲波在空氣中傳播，空氣的密度非常低，假設一個算例，聲波傳播速度為340m/s，頻率v為1000HZ，空氣的密度為1.27kg/，振幅A=m，，那么該波的平均能量流密度就是:

一分鐘內垂直通過面積的總能量為:

對于被保護體來說，激勵能量等于

假設被保護體質量為0.1kg，限定振幅為0.01m，根據GJB 150.16—86，在普通公路運輸環境下的振動，其振動頻率期望值為200HZ

故被保護體振動能量輸入為

故轉化效率等于

3 結論

傳統的耗能減振技術主要通過在結構的某些部位增設耗能器或耗能部件，聲波耗能法就是利用聲波產生器將結構的振動能量轉化為聲波能量發射出去，本文從理論上和工程算例上都證明了這種方法是切實有效的，為振動能量的消耗提供了一個新的方法，為振動控制技術提供了一個新的方向。

參考文獻:

[1] 盛美萍 王敏慶等.噪聲與振動控制技術基礎[M].北京:科學出版社，2001.

[2] 李方澤等.工程振動測試與分析[M].北京:高等教育出版社，1992.

[3] 周云 徐彤.耗能減震技術的回顧與前瞻.力學與實踐[J]，2000，22(5):1-7.

[4] 嚴東方.淺談效能減震結構.科技情報開發與經濟[J]，2006，16(8):165-167.

作者簡介:

第一作者姓名:唐昊(1986-)，男，四川大學建筑與環境學院，四川省廣元市人，碩士研究生，主要研究領域為固體力學，振動力學。

第二作者姓名:田仁慧(1987-)，女，四川大學建筑與環境學院，云南省麗江市人，碩士研究生，主要研究領域為疲勞斷裂力學，斷裂損傷力學。