摘要:耗能減振技術(shù)是振動(dòng)控制技術(shù)中非常重要并且也得到廣泛應(yīng)用的一種隔振技術(shù)，耗能減振技術(shù)主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)的某些部位增設(shè)耗能器或耗能部件，聲波耗能法就是利用聲波產(chǎn)生器將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為聲波能量發(fā)射出去。本文以能量分析法為基礎(chǔ)，分析了影響聲波轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能的效率的幾個(gè)因素，并給出具體計(jì)算方法，最后結(jié)合工程實(shí)際說(shuō)明了這個(gè)方法的有效性。

關(guān)鍵詞: 聲波能;振動(dòng)耗能;能量分析法

中圖分類(lèi)號(hào): TU352.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

引言，環(huán)境中存在各種各樣的振動(dòng)現(xiàn)象，工程中遇到的振動(dòng)問(wèn)題，在絕大多數(shù)情況下是有害的，高精度，高精密性設(shè)備的振動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為關(guān)鍵問(wèn)題，有效的控制振動(dòng)就顯得非常必要和迫切。振動(dòng)控制的基本方法就是圍繞振動(dòng)產(chǎn)生以及振動(dòng)能量傳輸過(guò)程的三個(gè)環(huán)節(jié)(振源、傳輸途徑以及受保護(hù)對(duì)象)入手，分別采取控制振源(或受保護(hù)對(duì)象)以及阻隔振動(dòng)能量傳輸途徑等措施來(lái)實(shí)施。耗能減振技術(shù)就是隔振技術(shù)中非常重要并且也得到廣泛

應(yīng)用的隔振技術(shù)[1]。

1 傳統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)

耗能減振技術(shù)主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)的某些部位增設(shè)耗能器或耗能部件，為結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度或附加阻尼，在地震作用或風(fēng)荷載作用下主要通過(guò)耗能部件來(lái)耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量，以減輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，從而更好地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全，是一種有效、安全、經(jīng)濟(jì)且日漸成熟的工程減震技術(shù)[2].

傳統(tǒng)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(fù)合型耗能器[3]。

2聲波耗能法簡(jiǎn)介

2.1 理論基礎(chǔ)

本文提出一種新的消耗振動(dòng)能量的途徑，即聲波耗能法。

聲音是人們?nèi)粘Ｉ钪泻苁煜さ目陀^物理現(xiàn)象，聲音是由聲源的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，聲源的振動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)周?chē)橘|(zhì)向四周傳播就形成聲波。產(chǎn)生聲波的條件是:1)，有作機(jī)械振動(dòng)的物體——聲源;2)有能傳播機(jī)械振動(dòng)的介質(zhì)[1]。

聲波能量具有容易產(chǎn)生，擴(kuò)散方便等優(yōu)點(diǎn)。聲波能量將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為聲波能的關(guān)鍵是將振動(dòng)能量有效的轉(zhuǎn)化為聲波能。

為了證明將外部振動(dòng)轉(zhuǎn)化為聲波發(fā)射出去的可行性，并且具有一定的效率，采用計(jì)算輸出能量和輸入能量之比的方法，即計(jì)算聲波能量的輸出和激勵(lì)振動(dòng)輸入能量的比值的方法來(lái)計(jì)算聲波消耗振動(dòng)能量的效率。

聲波能量的輸出由發(fā)聲單元的振動(dòng)特性決定的，但是現(xiàn)在在未知發(fā)聲單元結(jié)構(gòu)的情況下，只能根據(jù)發(fā)聲單元發(fā)出的聲波的能量情況來(lái)近似計(jì)算，由于聲波在傳播過(guò)程中的損耗，所以?xún)H當(dāng)在離開(kāi)發(fā)聲單元最近的位置，聲波能量近似等于發(fā)聲單元的振動(dòng)能量。

能量分析法

能量分析法的思想是在振動(dòng)過(guò)程中輸入耗能減振結(jié)構(gòu)體系的能量必須與結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部能量的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和消能相平衡。即

(1)

式中， 為振動(dòng)過(guò)程中輸入耗能減振體系的總能量，為耗能減振結(jié)構(gòu)體系的勢(shì)能，為耗能減振結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)能，為主體結(jié)構(gòu)的黏制阻尼耗能，為主體結(jié)構(gòu)的非彈性變形滯回耗能，為耗能裝置的耗能。[4]

工程設(shè)計(jì)中，為確保主體結(jié)構(gòu)的安全，可近似認(rèn)為振動(dòng)能量全部由耗能減振吸收或耗散，上述方程可簡(jiǎn)化為:

(2)

上式即可以作為耗能減振結(jié)構(gòu)體系的能量設(shè)計(jì)方程，其中忽略了，，，等因素的影響，一方面簡(jiǎn)化了計(jì)算，另一方面可作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

計(jì)算過(guò)程:

①、發(fā)聲單元將自身的振動(dòng)一部分轉(zhuǎn)化為聲波，而另一部分轉(zhuǎn)化為熱能，這里只計(jì)算轉(zhuǎn)化為聲波的那部分能量。

②、假設(shè)在離發(fā)聲單元很近的距離時(shí)，聲波是沒(méi)有損耗的。

2.2 振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為聲波能的效率的計(jì)算方法:

因?yàn)闊o(wú)論多復(fù)雜的波形都可以看作是無(wú)數(shù)個(gè)簡(jiǎn)諧波的疊加，所以通過(guò)計(jì)算簡(jiǎn)諧波在一個(gè)周期內(nèi)能量的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的目的

彈性介質(zhì)中取一線(xiàn)元，其質(zhì)量

波形函數(shù)可以表示為:

(3)

質(zhì)元?jiǎng)幽?

(4)

質(zhì)元形變勢(shì)能:

波形傳播速度:

質(zhì)元波動(dòng)能量:

介質(zhì)中單位體積內(nèi)的能量，能量密度等于:

(8)

能量密度在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為平均能量密度:

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)截面S的能量等于體積uS中的能量，即為能流。

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(gè)周期內(nèi)能流密度大小的平均值稱(chēng)為波的強(qiáng)度，波的強(qiáng)度即為度量波的能量大小的標(biāo)志

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

2.3 算例

人能發(fā)出的聲音的頻率范圍為45Hz到1600Hz之間，樂(lè)器中發(fā)音頻率最高的是小提琴:196~1320為基音區(qū)，泛音為12KHz左右，這里是通過(guò)機(jī)械振動(dòng)與摩擦的方式將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為聲波能，所以其產(chǎn)生聲波的頻率不會(huì)超過(guò)樂(lè)器所能發(fā)出的最高頻率。故計(jì)算頻率取小提琴能發(fā)聲的基本頻率1KHz。

考慮到聲波在空氣中的衰減，聲波離開(kāi)發(fā)聲單元1cm處，在一分鐘內(nèi)通過(guò)面積為區(qū)域的能量可以看作是沒(méi)有衰減的。

由于聲波在空氣中傳播，空氣的密度非常低，假設(shè)一個(gè)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(nèi)垂直通過(guò)面積的總能量為:

對(duì)于被保護(hù)體來(lái)說(shuō)，激勵(lì)能量等于

假設(shè)被保護(hù)體質(zhì)量為0.1kg，限定振幅為0.01m，根據(jù)GJB 150.16—86，在普通公路運(yùn)輸環(huán)境下的振動(dòng)，其振動(dòng)頻率期望值為200HZ

故被保護(hù)體振動(dòng)能量輸入為

故轉(zhuǎn)化效率等于

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的耗能減振技術(shù)主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)的某些部位增設(shè)耗能器或耗能部件，聲波耗能法就是利用聲波產(chǎn)生器將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為聲波能量發(fā)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(shí)有效的，為振動(dòng)能量的消耗提供了一個(gè)新的方法，為振動(dòng)控制技術(shù)提供了一個(gè)新的方向。

參考文獻(xiàn):

[1] 盛美萍 王敏慶等.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[2] 李方澤等.工程振動(dòng)測(cè)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(shù)的回顧與前瞻.力學(xué)與實(shí)踐[J]，2000，22(5):1-7.

[4] 嚴(yán)東方.淺談效能減震結(jié)構(gòu).科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)[J]，2006，16(8):165-167.

作者簡(jiǎn)介:

第一作者姓名:唐昊(1986-)，男，四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川省廣元市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣腆w力學(xué)，振動(dòng)力學(xué)。

第二作者姓名:田仁慧(1987-)，女，四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，云南省麗江市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠跀嗔蚜W(xué)，斷裂損傷力學(xué)。