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.     

基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜

声学超材料,是一种用于操纵声波的人工声学结构,具有诸多自然界所不具备的超常物理性质.不同于早期的局域共振声学单元结构,基于希尔伯特分形曲线提出了一种具有低损耗、高折射率的分形声学超材料,给出了分形结构声学单元的进化过程,并运用等效媒质理论,提取了具有亚波长的分形超材料单元的相对折射率、相对阻抗、等效密度及等效模量等材料参数.由于分形结构具有的自相似性和空间折叠特性,所提出的分形超材料具有宽带工作频率响应,为众多应用场合比如声超分辨率成像及声隧穿效应器件提供了候选材料.为检验分形声学超材料特性,应用分形声学超材料设计了梯度折射率分布的声聚焦透镜,并由固体方块阵列仿真对比、实验测量、以及点声源入射等三种手段验证了分形声学超材料参数特性及其聚焦透镜在2~5kHz宽频带内良好的聚焦能力.     

声学超表面在降低水下平板散射强度中的应用

采用间接边界元法对声学超表面平板在水下的散射声场进行仿真计算,分析了超表面平板与刚性平板的散射形态函数及指向性,讨论了结构几何参数对声学超表面平板散射特性的影响.仿真结果表明:以1/20波长为共振腔深度设计的频率附近带宽内,超表面平板的水下反向散射较刚性平板更分散,法线方向上反向散射主瓣的形态函数值较刚性平板降低;随着共振腔单元几何参数无量纲深度H/D和开口尺寸w/D的减小,声学超表面平板的最佳散射无量纲频率也随之降低.     

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。     

迷宫型声学超表面可调参数及其全相位调节

针对以往声学超表面研究的不足,提出一种亚波长迷宫型声学超表面结构;以迷宫型声学超表面物理特性的有效调控为目的,深入研究了各参数与声学超表面的关系,重点分析了声学超表面对反射相位的调节作用,实现了对声学超表面反射相位的人工调控。为了揭示声学超表面与各参数之间的内在联系,逐一分析了每个可调参数对声学超表面的吸声系数和反射相位的影响,结果表明:声学超表面盖板上小孔的直径、迷宫超表面原胞边长和迷宫槽宽对吸声系数和反射相位有决定性的影响,相对而言,迷宫棱宽和迷宫盖板的厚度对吸声系数和反射相位影响较小;盖板上的小孔直径越小,相应的共振频率就越低,吸声系数曲线向低频移动,而峰值保持不变,反射相位曲线也向低频移动,但相位轮廓保持不变;原胞边长越小,相应的共振频率就越高,吸声系数曲线向高频移动,且峰值增大,反射相位曲线也向高频移动,相位幅值基本不变但是跨度增大;迷宫槽宽越小,相应的共振频率就越低,吸声系数曲线向低频移动,且峰值变大,反射相位曲线也向低频移动,相位幅值不变但是跨度减小。设计了一种具有10个超表面原胞的迷宫组合结构(10个原胞除孔径外其他参数均相同),实现了从0到2π跨度上的相位调节,而且结构小巧紧凑,操作简单易行。这种结构可以进一步拓展成由多个超表面原胞构造的超薄二维阵列平面,从而实现声隐身。     

三角阵列超材料的声传播特性

为了使声波产生不同于传统天然声学材料的反常传输特性,采用COMSOL有限元方法模拟了声波在局域共振型声子晶体中的传播特性,给出了二维三组元局域共振型声子晶体的振动机制,并以原胞为基础构建了三角形阵列的声学超材料模型,探究声波与该模型内原胞间的局域共振特性。仿真结果表明,从三角阵列模型底边入射的平面点状及线状激励声源在受到模型的调控后都会重新在顶角处汇聚成焦点;通过入射由三角阵列构成的矩形模型能实现点源的低损耗搬移效果;将两至三个相同的三角阵列组合成平行四边形和梯形模型后会产生平面声波的变向传输。模拟结果显示,此种以原胞为基础的三角形声学超材料阵列模型,在共振频率下会产生反常声学现象,并且随着模型构造的改变,其共振特性也会随之变化,产生不同的反常声学现象。研究结果可为声隐身、声探测及声波低损耗定向传输等研究提供新思路。     

弹性地基不可伸长梁的3次超谐共振响应分析

基于建立的弹性地基不可伸长梁的非线性动力学模型,针对横向简谐激励下弹性地基梁的3次超谐共振响应进行研究,分析了主要参数对其非线性动力学特性的影响.利用多尺度方法,求得弹性地基不可伸长梁的3次超谐共振幅频响应方程,进而得到梁的幅频响应曲线并分析了弹性地基模型、Winkler参数、外激励幅值及边界条件等对梁非线性动力响应的影响.结果表明:三参数模型中第二弹性层促进梁动力响应软弹簧特性的发展,且该模型强化梁动力响应的非线性特性;外激励幅值对梁3次超谐共振响应的动力学特性有一定影响,引起骨架曲线初始偏移量的改变.     

模型参数对开口空心球超材料透射行为的影响

为了探究模型参数对开口空心球(Split Hollow Spheres,SHS)超材料声学透射行为的作用机理,采用声学有限元方法(FEM)模拟了SHS超材料结构单元,计算球壳材料杨氏模量、泊松比、密度以及环境温度和气体密度等模型参数发生变化时的声透射谱,并推导出相应结构单元的等效模量值,最后将各参数对透射谱和等效模量的影响进行比较。结果表明:当SHS球壳材料的杨氏模量增大到2×10~8Pa时,声透射谱中阻带峰值和负等效模量频带同时向高频方向移动,透射阻带宽度保持不变;球壳材料的泊松比和密度对透射阻带和负等效模量频带无明显影响;当环境温度逐渐升高时,阻带峰值和负等效模量频带同时向高频方向移动,透射阻带宽度保持不变;当气体密度逐渐增大时,阻带峰值向低频方向移动且幅值变小,透射阻带宽度变窄,同时负等效模量频带向低频方向移动且幅值变小。研究发现,在球壳的材料参数和环境因素中杨氏模量、温度和气体介质的密度对SHS结构单元透射行为的影响尤为突出。     

温度和桥面激励联合作用下斜拉索非线性振动特性分析

研究热状态下受桥面激励作用的超长斜拉索主参数共振问题。计入斜拉索初始垂度和几何非线性的影响,建立温度场中斜拉索的非线性振动力学模型,推导出热状态下受桥面激励作用的斜拉索面内参数振动控制方程,利用多尺度法求解系统主参数共振的近似理论解,并编制程序进行数值计算,分析温度变化、激励幅值、调谐值、索力、阻尼比对系统振动的影响。结果表明:随着温度升高,斜拉索主参数共振区增大,但其振幅有减小趋势;增大桥面激励幅值,会使得拉索参数共振区显著增大,而增大索力和阻尼,拉索共振区将减小;拉索发生参数振动时具有硬弹簧特性,幅频曲线随调谐值的增大存在多值响应,会出现"跳跃现象"。     

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.