多态反共振协同型薄膜声学超材料低频隔声性能

针对普通声学材料无法有效衰减车内低频噪声的问题,提出一种摆臂式轻质薄膜型声学超材料结构设计形式,通过在子单胞内引入多态反共振模式实现了低频隔声频带的拓宽及隔声量的提高。该超材料以柔性乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料作为框架,并将4个金属薄片和1个十字形EVA摆臂贴附在0.2 mm厚的聚酰亚胺(PI)薄膜表面构造成谐振部分。通过对超单胞的声传递损失(STL)、多态反共振模式和负等效参数的分析,揭示了STL带宽的拓宽机理;基于超单胞结构衍生设计了大尺寸的柔性隔声超材料,并将大尺寸超材料样件装配到汽车发动机机罩内进行实车降噪测试,通过"混响室-消声室"隔声实验和实车降噪测试进一步预估了超材料对低频噪声的衰减能力。研究结果表明:子单胞间的多态反共振协同模式能调制超单胞处于连续的动态平衡状态,促使低频入射与反射声波相互抵消,从而改善了隔声带宽和隔声量;所设计的超材料可使车内1 kHz以下的发动机噪声平均衰减达3 dB(A),为低频宽带隔声材料的设计提供了一种新的思路,在控制低频噪声方面具有潜在的工程化应用前景。     

附加薄膜-质量块谐振器的Herschel-Quincke管及基于该结构的隔声帘的研究

声学超材料在声音和振动的消除领域具有很好的应用前景.由于薄膜材料具有轻质且可以实现低频隔声的特点,薄膜型声学超材料受到广泛的关注.提出一种附加薄膜-质量块谐振器的Herschel-Quincke (HQ)管,通过理论分析及有限元仿真和实验的方法验证了该结构在HQ管道和薄膜-质量块谐振器耦合作用下可以实现低频多带的消声性能.此外,还设计了一种前、后附加薄膜-质量块谐振器的方形盒子单元结构,并基于该结构提出了一种隔声帘结构.隔声帘结构为多个单元组成的二维阵列结构,每个单元由前、后附加薄膜-质量块谐振器的长方体盒子构成.通过有限元模拟验证了该结构具有较好的低频宽带的自由场隔声性能.     

高阶微穿孔型超材料低频宽带吸声机理

针对现有低频噪声控制的迫切需要,提出了一种高阶微穿孔型超材料结构,解释了其低频宽带吸声机理,并设计了新型的高阶微穿孔型低频宽带吸声超材料,在300～3 000 Hz的频率范围内表现出连续优异的吸声特性。设计了单个单元的吸声结构,通过在传统的微穿孔超材料内部增加穿孔板的方式,激发高阶特性,对比发现,高阶微穿孔型超材料实现了对高阶峰值的灵活调整。使用理论公式和有限元仿真,建立单元结构的计算模型计算单元的吸声系数,对结构进行吸声机理分析,同时分析了典型结构参数对于吸声特性的影响规律;在此基础上,通过单元间的严格耦合,设计了一种9单元宽带吸声结构,并进行实验验证。实验结果表明,该材料总体厚度为106.1 mm,在300～3 000 Hz的频率范围内获得了连续优异的带宽,平均吸声系数达到90%以上。该结构具有亚波长厚度的低频宽带吸声特性,在汽车、飞机、轮船等噪声环境中,具有广阔的减震降噪的工程应用前景。     

声学超结构低频宽带协同耦合高效吸声机理

针对传统材料难以有效控制低频噪声的问题,提出了一种膜类带腔声学超结构的低频宽带协同耦合高效吸声机理。这种超结构有多个吸声单元,每个吸声单元由两个铝片组成,铝片固定在空气腔上方的硅胶薄膜上。首先利用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.3计算单元胞的吸声特性,确定吸声结构的尺寸和材料参数;然后通过两元胞结构分析振动模态和吸声机理,解决吸声结构窄带的问题,再分析典型结构参数对协同耦合机理和吸声特性的具体影响规律;最后通过多单元的协同耦合,实现整个频率范围内的宽带吸声。仿真结果表明:通过设计多个单元的协同耦合,可以将不同单元之间的吸声峰值相互错开,使结构的吸声系数在整个低频范围内均匀分布,实现200～1 000 Hz范围内连续的吸声宽带,平均吸声系数为80%左右,实现低频大宽带的优异吸声性能。该研究结果可为低频宽带吸声材料的设计提供一种新的思路,在控制振动和噪声方面具有潜在的应用前景。     

变截面消声管道耦合Helmholtz腔结构的声学性能

基于局域共振理论与管道消声理论,设计了一种变截面消声管道耦合Helmholtz谐振腔的声学超材料结构,并运用COMSOL软件进行仿真研究.在此基础上,探讨了变截面声学超材料结构的几何参数对吸声系数峰值的影响,运用声学试验测试了该声学超材料结构的声学性能.结果表明：该变截面声学超材料结构在低频范围(200～600 Hz)内可实现良好的吸声效果;通过改变管道小孔的截面半径,可以实现声学超材料结构固有频率的定向调节;与普通Helmholtz腔相比,该声学超材料结构的吸声系数峰可在一定低频范围内移动,提高了结构在低频范围内的吸声效果,拓宽了吸声系数峰值对应频率的范围;声学超材料结构的几何参数得到了优化,具有良好的吸声效果.     

射流低频高声强发生器设计与实验研究

为解决现有低频高声强发生器声压低、装置复杂、声学性能可调性与重复性差等问题,设计了以压缩空气为能源、电机调谐的低频射流高声强发生器.按照气体动力学一维行波理论、守恒方程、伯努利方程与声学理论对其进行声学设计.按理想可压缩气体定常流流体动力学控制方程模型,采用三维结构化网格、压力耦合方程半隐式算法,计算得到流场的压力分布特性.为验证其声学特性,进行了现场发声测试试验.实验结果与设计值基本一致,验证了该低频高声强发生器具有50 Hz低声频、181dB高声强、声特性重复可调的特点,可以为噪声伤害、高声强声源工业应用及声学武器的研究提供实验基础与声源.     

系统频率电磁调谐的双层薄膜声学超材料

为了拓宽声学超材料对低频声波的隔声带宽,设计了1种系统频率电磁调谐的双层薄膜声学超材料,该超材料由双层硅橡胶薄膜、薄膜之间的羰基铁粉、附加铅质质量块、铝质框架和电磁场加载装置等组成.运用COMSOL Multiphysics 5.5仿真和试验等方法,对声学超材料的声学性能进行了研究.研究结果表明:该声学超材料在低频范围内可实现良好的隔声效果;通过输入不同电流改变磁场强度,可以实现声学超材料固有频率的定向调节;与被动声学超材料相比,主动声学超材料实现了声学超材料隔声性能的非接触主动调谐,拓宽了声学超材料的声波控制带宽;在此基础上,通过进一步探讨材料参数对声学超材料声学性能的影响,发现双层薄膜的厚度越厚,杨氏模量越大,声学超材料将获得更宽的隔声带宽.     

储粮害虫声检测隔声室的设计

基于双层墙隔声和多孔吸收原理，结合储粮害虫活动声的特征，设计了一种体积为6m^3的隔声室．该隔声室利用胶合板作为双层墙壁材料，两墙壁间距离为0．08cm，外墙壁均匀穿孔，孔径为1mm，间距为1．5cm，并在支撑物上加垫较硬吸声材料组成准双重穿孔隔声结构．实验表明，在125～2000Hz的频带范围内，隔声室能均匀隔离环境噪声，平均隔声量为22dB，可满足储粮害虫活动声的频率范围和声压级要求．     

阶梯型微缝超表面低频宽带吸声特性

针对目前低频宽带吸声及通风吸声效果较差的问题,提出了两种嵌套型阶梯微缝超表面。设计了阶梯型微缝吸声单元,获得了较传统微缝吸声体更优的低频吸声效果;将通风孔引入到阶梯型微缝单元中构建了通风型吸声单元,在保证吸声性能的同时拥有了新的通风效果;提出了一种嵌套式并联方式,不仅能有效扩展吸声带宽,还能克服传统并联方式表面积随单元数量线性增加的问题,有效降低并联结构的吸声表面积;结合阶梯型微缝单元和嵌套式并联方式,设计了两种低频宽带吸声超表面。结果表明:以16个单元嵌套形成的厚度仅为70 mm的超表面能实现600～1 600 Hz的吸声效果;以8个单元嵌套形成的厚度为39.1 mm的超表面不仅能实现470～657 Hz的吸声效果,还能获得较好的通风性能。这两种超表面具有结构紧凑、吸声带宽大、尺寸小且兼具通风的特点,在实际中具有广泛的应用前景。     

微穿孔黏性超表面的低频宽带吸声机理

针对传统材料难以有效吸收低频噪声且带宽较窄的问题,提出了一种微穿孔黏性超表面的低频宽带吸声机理,并设计了多元胞超表面结构,其中每个元胞由微穿孔板和折叠背腔组成。首先利用有限元仿真和理论公式计算单个元胞的吸声性能,并与传统亥姆霍兹共振器结构进行对比,发现该结构具有优异的高阶峰值,而且峰值带宽增加约1倍,基于此提出了实现低频和宽带的机理;然后分析了典型结构参数对吸声特性的影响规律,如吸声面积比、小孔直径及背腔深度等;最终通过多单元峰值间严格耦合,设计了由8个元胞组成的宽带吸声超表面。结果表明:吸声超表面厚度仅为6 cm,在频段550～2 500 Hz范围内实现连续优异的吸声带宽,平均吸声系数高达90%以上。该结构具有厚度薄、频带宽且强度好等特点,在消声室、工厂和航空等场合具有广泛的应用前景。