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。     

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。     

低频大宽带声学超结构的多阶共振高效吸声机理

针对传统吸声材料效率低、频带窄的不足,设计了一种多阶共振超表面。多阶共振超表面通过在共振腔内部插入一个或多个带有小孔的分隔板来构造,使其保持原吸声峰和结构尺寸不变情况下,在较宽频带内获得多个近乎完美的吸声峰,明显增加了吸声频带宽度。通过吸声系数和相对声阻抗率对迷宫二阶共振超表面的高效吸声特性进行分析,并研究了孔径变化对二阶共振超表面吸声特性的影响规律;采用声电类比法推导出多阶共振超表面的等效声阻抗,并将二阶共振超表面等效成二自由度质量弹簧系统,通过系统固有频率和固有振型分量对多阶共振吸声机理进行深入分析。考虑到亥姆霍兹共振腔内空气的热黏性,在对多阶共振超表面的理论计算进行推导时,引入了等效密度和可压缩性的理论。通过对多单元耦合参数的精确平衡,设计了9个单元组成的低频宽带亚波长超表面吸收器,该超表面厚度为8cm,在310～1 560Hz的频带范围内具有连续优异的吸声特性,平均吸声系数高达90%以上。这项研究可为实现低频大宽带吸收提供一个新的思路,并在工程降噪中有潜在的应用前景。     

微穿孔板吸声结构计算及其应用

微穿孔板吸声结构具有吸声系数高、吸收频带宽等优点，广泛应用于噪声控制的各个领域。根据马大猷的微穿孔吸声理论，总结了微穿孔板吸声结构的吸声原理，并用基于此理论的计算结果与在低频、中频驻波管中实验的结果进行对比，得到了比较满意的结果。采用微穿孔板吸声结构，进行汽车发动机隔声降噪模拟实验，结果表明，微穿孔板吸声结构具有良好的降噪功能。微穿孔板吸声结构的吸声性能的初步研究，为微穿孔板吸声结构在工程中的应用提供了依据。     

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。     

运用弹性支撑背板提高微穿孔板低频吸声性能

为了提高微穿孔板结构的低频吸声性能,将传统微穿孔板结构的刚性背板改进为弹性支撑背板,通过理论计算和试验对这一改进进行研究.由等效电路图推导出弹性支撑背板单元的矩阵,运用传递矩阵方法,将其和空腔单元矩阵、微穿孔单元矩阵进行串联,建立新结构的理论模型.通过振动试验测量弹性支撑背板的阻尼系数和刚度系数,计算出结构的吸声系数,并与驻波管试验的测量结果对比.结果表明:理论计算和试验结果吻合良好;改进设计的微穿孔板结构同时利用了微穿孔板的腔共振吸声和背板的机械阻抗吸声作用,能够在不增加结构厚度的情况下提高低频吸声性能,并且同时保持中高频吸声效果.     

双层微穿孔管消声器传声损失理论计算与分析

基于一维平面波理论和微穿孔结构吸声理论,推导双层微穿孔管消声器传声损失理论模型,并将理论计算值与三维有限元声学仿真结果进行对比,利用消声器传声损失理论公式,对比双层和单层微穿孔管消声器的传声损失,分析内外层膨胀腔厚度对双层微穿孔管消声器声学特性的影响。研究结果表明:双层微穿孔管消声器在中低频的传声损失要大于单层微穿孔管消声器;增加内外层膨胀腔的厚度,可以提高双层微穿孔管消声器的消声特性;当双层膨胀腔总厚度固定,外层膨胀腔厚度大时,消声器在中低频的声学性能更好。     

有限大背腔单层微穿孔板吸声体吸声特性研究

基于声有限元数值方法研究了有限大背腔单层微穿孔板吸声体的吸声特性.首先,建立了该类单层微穿孔板吸声体的有限元数值模型,并采用等效电路法对其准确性进行了验证.然后,基于已验证的仿真模型讨论了有限大背腔单层微穿孔板吸声体的斜入射吸声性能,以及背腔宽深比对其扩散场吸声系数的影响规律.结果显示,在正入射条件下,单层微穿孔板吸声体的吸声性能主要受到有限大背腔非切向模态的影响,而在斜入射条件下,主要受到切向模态的影响;不同入射角度的声波会激发有限大背腔不同的切向模态,从而改善单层微穿孔板吸声体的高频吸声性能;调整背腔宽深比能有效控制单层微穿孔板吸声体扩散场吸声系数曲线高频吸声峰的位置,并且存在最佳宽深比使其同时具有较高的吸声系数和较宽的吸声频带.本文可为噪声控制工程和室内声学设计提供有用的参考.     

离心风机吸声蜗壳结构的数学物理模型及实验验证

为了降低离心风机气动噪声,设计了一种由穿孔蜗板、吸声材料、微穿孔板和空腔组成的吸声蜗壳结构,并采用声电类比方法建立了吸声蜗壳的数学物理模型.基于该模型分析发现:采用一定厚度的吸声材料可以在大约1～8 kHz频率范围内对气动噪声取得较好的吸声效果,适当增加吸声材料厚度可使得具有较高吸声系数的频率范围向低频方向适当拓宽,加...