通孔薄膜声学超材料声阻抗分析及隔声带宽优化

针对现有通孔型声学超材料存在的低频隔声带宽较窄问题,通过分析通孔声学超材料的声阻抗建立超材料隔声量的理论计算模型,并通过该模型分析在不改变超材料通孔率和隔声峰值频率的条件下如何通过优化薄膜的面密度和张力以增加通孔型声学超材料的隔声带宽。通过一个数值分析案例进一步阐述如何利用理论计算模型进行通孔声学超材料隔声量参数优化并通过有限元仿真结果进行验证。结果表明通过减少薄膜面密度与薄膜张力的比率可以确保在不改变隔声峰值频率情况下有效增加声学超材料的10 dB隔声带宽。     

表面张力对薄膜型声学超材料隔声性能的影响

目前许多对于薄膜型声学超材料隔声性能的研究仅限于数值方法,其结构参数可以很方便的调节,但缺乏必要的实验验证。因此,从有限元仿真和实验验证两个角度出发,主要研究了弹性薄膜的表面张力对由它和质量块组合而成的薄膜型声学超材料的隔声性能的影响。采用COMSOL Multiphysics软件对薄膜型声学超材料进行声学仿真研究,通过所得到的传递损失曲线能够更直观和方便地分析声波通过薄膜型声学超材料后对声音衰减的效果,并采用驻波管法对薄膜型声学超材料的隔声性能进行实验验证。结果表明,随着薄膜表面张力的增大,其传递损失峰值所对应频率向高频移动,且吸声系数峰值增多,所对应的频率范围增大。     

薄膜低频隔声性能的张力依赖性

研究了膜内张力对其声学特性的影响,通过数值计算和实验测试得到了以下结论:刚度控制区内随张力的增加,隔声量曲线整体"抬高"了,20~100Hz的这段区域内隔声量最大提高了30dB,呈现非线性增长特性;阻尼控制区内隔声谷对应的频率随着张力的增加而按照一定的规律增大,且张力形成的"绷紧"效应大大降低了膜面振动,增加了隔声量峰值,100kPa张力对应的隔声量峰值明显超过10kPa的134.7%,对小的张力很敏感;质量控制区1000Hz以上的频率段内张力对薄膜隔声性能基本无影响,质量定理能够很好的预测。张力对隔声量的影响都集中在刚度控制和阻尼控制区的中低频范围内,且影响巨大。     

两边支撑声学超材料板的低频宽带隔声性能研究

以电力变压器低频隔声为应用背景,提出了一种结构简单轻质的局域共振声学超材料板,它由在两边支撑框架上紧密粘贴高分子聚合物薄板制成,相比四边支撑超材料板,其具有更加优越的低频隔声能力。在声波垂直入射条件下,采用有限元仿真对其隔声特性进行研究,结果表明在248 Hz处出现了一个明显的隔声峰,隔声量达到了31 dB。为拓宽低频隔声频带,在超材料板上布置质量块,仿真结果表明在152~560 Hz范围内出现了三个密集的隔声峰,最高隔声量达26 dB,从而一定程度上实现宽频隔声效果;同时在120 Hz处出现了一个隔声量为18 dB的隔声峰。最后搭建了基于小型箱体的隔声实验平台,可以发现实验测试结果与仿真结果具有较好的一致性,从而验证了轻质声学超材料板良好的低频宽带隔声性能,说明了两边支撑声学超材料板具有广阔的工程化应用前景。     

薄膜声学超材料降噪性能分析及设计

为了提升薄膜型声学超材料的隔声性能,首先采用模态叠加法和遗传优化算法实现一种反射型薄膜声学超材料单胞多参数结构优化设计;然后为了拓宽薄膜声学超材料单胞结构的隔声带宽,进一步提出一种能够实现低频宽带吸声的十字型薄膜声学超材料。结果表明:采用经过优化所得的反射型薄膜声学超材料可有效提高隔声带宽和离散频率的隔声量;并且十字型薄膜声学超材料单胞在510 Hz至820 Hz频带范围内平均吸声系数达到0.884,从而突破了薄膜声学超材料单胞仅在共振频率附近的窄带内具有优异吸声性能的限制。     

薄膜型声学超材料微结构参数对其隔声性能的影响

基于有限元法(FEA)计算描述薄膜型声学超材料隔声性能的一个重要表征参量,即传递损失(TL)。在此基础上,探索薄膜型声学超材料传递损失峰值(谷值)对应的频率与整个薄膜超材料系统的固有频率之间的关联,并通过调整薄膜声学超材料的微结构特征如薄膜厚度、中心质量块、预应力等参量,研究薄膜型声学超材料固有频率和传递损失峰值(谷值)频率频段之间的关系。主要结论是:薄膜边缘预应力增大则传递损失峰值(谷值)对应频率增大,薄膜厚度增加则传递损失的第二和第三峰值对应的频率降低,而薄膜胞元中心质量块质量大小仅对第一峰值(谷值)对应的频率产生显著的影响。     

基于磁流变薄膜的可调谐主动声学超材料

为了实现声学超材料等效参数的非接触式主动控制,基于磁流变薄膜设计了一种磁固耦合的主动声学超材料,该结构由铝质环形框架和附加质量块的磁流变薄膜组成。运用COMSOL软件对其声学特性和隔声性能进行了详细分析,结果表明:改变外加磁场强度能够调节所设计的声学超材料的固有频率,与被动声学超材料相比,实现了非接触主动控制声学超材料系统的隔声峰值频率,从而拓宽了声学超材料的隔声频率范围;在此基础上进一步研究了磁流变薄膜材料参数、薄膜预应力和附加质量对隔声性能的影响。     

基于电磁力调谐的薄膜主动声学超材料

针对低频噪声较难控制的问题,设计一种基于电磁力调谐的薄膜主动声学超材料,该结构由通电螺线管和边界固定、中心附加钕铁硼磁铁的薄膜等结构组成。通过数值模拟和实验对其声学性能进行详细分析,结果表明:该结构具有较好的低频隔声性能。通过输入大小不同电流使螺线管内产生不同强度的磁场,从而定量改变薄膜中心钕铁硼磁铁受力,实现隔声峰值频率的定向移动,与被动式声学超材料相比,可实现声学超材料隔声特性的非接触式主动控制;在此基础上进一步研究薄膜厚度和薄膜杨氏模量对结构隔声性能的影响。     

大尺寸薄膜型声学超材料复合结构低频宽带隔声性能研究EI北大核心CSCD

薄膜型声学超材料的提出与发展为使用轻薄结构有效解决低频噪声问题带来了希望。然而,受限于局域共振机理,单层的薄膜型声学超材料仅能够在极窄的频段范围内具备优异的低频隔声性能,很难满足舰船动力装备这类需要宽频段有效噪声的实际场景应用需求。通过将不同结构形式的多层薄膜型声学超材料进行复合,以期突破局域共振机理的窄带局限性,实现优异的低频宽带隔声性能。采用等效面密度概念,建立薄膜型声学超材料复合结构的隔声计算模型;基于双混响测试方法,开展多种复合方式的大尺寸薄膜型声学超材料复合结构的混响场激励隔声性能试验,验证隔声计算模型的有效性,比较并分析其低频宽带隔声性能。该研究工作为薄膜型声学超材料复合结构的隔声性能分析与实际工程应用提供一定参考价值。     

高速列车夹芯地板结构隔声特性研究

采用传递矩阵法,建立高速列车内地板的声学特性分析模型,探索不同三明治夹芯板材料和结构对高速列车内地板隔声特性的影响,并根据内地板结构的传递损失评价具有不同参数的三明治夹芯板的隔声性能。通过不同的表层材质（木材、铝材、钢材）、厚度和蜂窝夹层密度,进行了内地板隔声量变化规律的分析和比较。探寻拟定隔声性能优越的三明治夹芯板材料类型和结构型式。结果表明,（1）表层夹板厚度一定,钢材作为表层材料,内地板隔声量最好,其次是铝材,最后是木材;（2）表层厚度影响,木材夹层板,厚度每增加1 mm,各个频段隔声量增加1 dB ～1.5 dB。铝材夹层板,厚度每增加1 mm,各个频段隔声量增加1 dB ～3 dB。钢材夹层板,厚度每增加1 mm,各个频段隔声量增加1 dB ～5 dB;（3）蜂窝板密度降低一半,内地板隔声量有增加趋势,但影响较小。     

驻波管中测量声学材料的隔声量

在驻波管中用双传声器法测量声学材料的隔声性能。通过测量不同背衬条件（即待测样品的后表面阻抗）下对应的前表面阻抗,可以求解与传递矩阵四个元素相关的中间变量,即可计算声学材料的隔声量。在驻波管中进行了单层多孔均匀材料、双层和三层复合非均匀材料的隔声性能测量,通过与四传声器法直接测量结果的对比,验证了采用双传声器法间接测量声学材料的隔声量是可行的。     

高速列车内地板隔音垫声学特性的研究

通过数值方法,以传递矩阵法建立车内地板声学模型,研究隔音垫不同材料参数和厚度对内地板隔声量的影响,分别考虑了在不同弹性模量、密度、阻尼系数以及随厚度变化的情况下,内地板隔声量的变化规律,然后确定隔声性能优越的隔音垫材料类型和结构型式。结果表明,有、无隔音垫,内地板隔声量的变化较大,铺设1 mm隔音垫与无隔音垫比较,内地板计权隔声量提高约5 dB;另外,隔音垫厚度对整个内地板隔声量影响也较大,隔音垫厚度每增加1 mm,内地板计权隔声量提高1 dB ～3 dB;隔音垫材料参数对整个内地板隔声量影响不大,弹性模态改变一个数量级,阻尼系数相差0.02,内地板隔声量几乎无影响。     

宽频带薄膜型声学超材料附加质量分布规律分析

薄膜型声学超材料因其良好的低频域减振降噪性能而备受关注,其中涉及到的附加质量分布问题也具有重要的研究价值,直接关系到薄膜结构的整体隔声性能。考虑到现有针对质量分布规律的研究仍有待深化,该文章以一类薄膜型声学超材料为对象,通过分析多种附加质量分布形式(集中、分散)对应的结构隔声特性,验证了等质量下分散结构相对于集中分布具备更好的隔声性能,进一步明确了质量块质量、数量及其布置环数对于隔声性能的影响规律,形成了可在低频域实现宽频降噪的质量分布方案,即：质量块均匀分布在圆膜上而不产生聚集。仿真及试验分析均表明,该方案能够在保持超材料深亚波长尺寸的同时,强化低频域宽频减振降噪性能,有利于实现结构轻量化设计,并为目标驱动的薄膜型声学超材料功能优化提供了参考依据。     

一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料

为有效控制低频宽带噪声,设计了一种带薄膜结构的Helmholtz腔声学超材料。利用COMSOL软件对其透射特性进行详细分析,结果表明:不带膜的原本的Helmholtz腔结构其透射系数虽在低频范围内可以得到峰值,但其结构尺寸较大,且频带很窄,而文中设计的声学超材料结构的透射系数在低频范围可得到多个峰值,在相同结构尺寸下,与原本的Helmholtz腔结构相比,其固有频率向低频范围内偏移,因而提高了结构的低频隔声效果,拓宽了结构的隔声频率带宽。在此基础上进一步研究了声学超材料结构几何参数对透射系数的影响,优化了声学超材料的结构几何参数。     

带背腔薄膜型声学超材料低频隔声特性分析

为弥补传统材料难以有效控制低频噪声的不足,提出一种由弹性薄膜、穿孔质量环和背腔组成的薄膜型声学超材料,建立单元声固耦合有限元模型,分析其在10 Hz～700 Hz频段内的薄膜振动特性,探讨薄膜预应力、穿孔半径、背腔高度、附加质量和薄膜厚度对隔声性能的影响规律,并研究基于协同耦合隔声机理的多单元组合隔声效果。结果表明：薄膜与背腔和穿孔结构耦合能丰富薄膜在低频处的振动形式,较传统Helmholtz 共振腔和薄膜型声学超材料具有更宽的隔声频带;在考虑频段范围内存在6 个声衰减峰,背腔高度、薄膜厚度和预应力的改变可使第三和第四峰值产生明显频率偏移,多单元协同耦合可实现一定频率范围内的连续宽带隔声,分析结果可为低频噪声的轻质和宽带控制提供理论参考。     

汽车前围板隔声量测定及改进

基于混响室-消声室声强测量方法,测量某汽车前围板的隔声量。结果表明：空调进气口内外循环转换阀与阀口贴合不紧密是隔声薄弱主要原因。在与空调进气口内外循环转换阀阀口相贴合的阀体部位粘贴密封材料,用EVA+低熔点毛毡+双组分声学材料代替原有的EVA+低熔点毛毡材料后,相应的测试结果表明：改进后,该汽车前围板的隔声量在500～6300 Hz频段平均提高了约7 dB。对改善其隔声性能进而改善车内声学环境具有重要意义。     

建筑构件隔声量智能实验室测量系统的应用研究

针对传统建筑构件隔声量实验室测量方法,研制了基于物联网技术的隔声量智能实验室测量系统。通过引入无线测量方案,减少测量设备的使用,开发智能移动终端测量控制软件,满足建筑构件隔声量自动精准测量的要求,使得隔声测量更加智能和便利。实验测量结果表明:测量设备和测量系统满足JJF 1789—2020《隔声测量室校准规范》和GB/T 19889.3—2005《声学 建筑和建筑构件隔声测量 第3部分》的要求,可以实现建筑构件隔声量的精准快速测量,提高测量效率约1倍,通过不确定度分析得出隔声量的最佳不确定度为1.0dB。     

聚氨酯弹性体隔声性能的研究

研究了损耗因子、厚度和填料对聚氨酯弹性体隔声性能的影响．结果表明：在相同频率下材料的损耗因子大，隔声性能好；由于在低频下材料的特性阻抗与水的特性阻抗失配严重，其隔声量较高频时大．材料的隔声量随着厚度的增加而增加，但在低频下，当厚度增加到40mm以后，隔声量随厚度的增加而变化得很缓慢，且不符合厚度每增加一倍，隔声量增加6dB这一规律．片状填料的加入提高了材料的隔声性能，该填料在5％～25％之间时，其含量对隔声性能影响较小。     

基于声学黑洞的复合隔声结构声学特性研究及试验

声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)能够实现声波的聚集,通过粘贴阻尼层将其聚集的能量耗散,可有效降低声学黑洞复合结构的振动和声波的传递。针对中低频段噪声,设计了声学黑洞复合隔声结构,建立了其隔声量计算模型。研究了声学黑洞复合隔声结构的黑洞数量、黏弹性阻尼层、声学黑洞半径等参数对隔声性能的影响。研究结果表明：在160~1 000 Hz频率范围内,ABH能明显增加复合隔声结构的隔声性能,其传递损失在1/3倍频程内增加了1.9 dB。文中的研究结果为复合隔声结构的设计提供了借鉴。     

舰船用隔声密封材料的研究

本文研究了一类用于舰船舱室孔隙的环氧树脂隔声材料，侧重于材料的增韧、阻燃、低毒及隔声量等性能。研制出的材料隔声性能优良，30mm胶片A计权插入损失达33dB以上。