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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

薄膜材料吸声性能数值模拟

为了研究薄膜材料的吸声性能,对带空腔的单层薄膜、双层薄膜及未带空腔的双层薄膜的吸声性能进行了数值模拟。在其它参数保持不变时,随着薄膜材料的质量密度和空腔深度的增加,共振频率逐渐向低频方向移动。带空腔的双层薄膜吸声结构的吸声带宽明显高于单层薄膜的吸声带宽;未带空腔的双层薄膜吸声结构在频率低于一定值时,吸声系数可以保持常数不变。     

局域共振型空腔覆盖层的低频吸声机理及调控规律研究

声学覆盖层的低频吸声特性对潜艇声隐身性能具有重要影响.综合考虑空腔型覆盖层结构和局域共振型薄膜材料的低频吸声性能,建立局域共振型空腔覆盖层的有限元模型,研究复合结构在10 Hz～2000 Hz频段内的吸声特性,并采用局域共振理论和模态分析揭示复合结构的吸声机理,进一步得到复合结构低频吸声性能的调控规律.研究结果表明:(...     

硅胶薄膜声学超材料单胞结构的隔声测量研究

利用铝制框架、硅胶薄膜和钕铁硼磁铁制作薄膜声学超材料单胞试件,用阻抗管法进行材料隔声量测量,绘制出不同附加质量块下薄膜声学超材料的隔声量曲线,分析了硅胶薄膜振动的等效集中参数与其隔声量曲线的对应关系。实验结果表明,薄膜声学超材料的隔声峰值对应频率具有可调性,50~400 Hz的平均隔声量为5dB,峰值超过11dB。在低频声区域,薄膜声学超材料的隔声量大大高于传统隔声材料。     

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。     

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。     

基于组合微穿孔板的低频宽带吸声超材料研究

如何实现低频宽带吸声,一直是噪声控制工程领域亟待解决的问题之一,近年来声学超材料的迅速发展为此提供了新的解决思路。将拓宽单个峰值吸声带宽与引入第二阶吸收峰两种方式有效结合,基于组合微穿孔板提出了一种低频宽带吸声超材料,建立了组合微穿孔板吸声结构的吸声理论模型与数值仿真模型,分析了其低频宽带吸声机理。理论计算结果与数值计算结果吻合良好,验证了组合微穿孔板吸声结构的准确性。该吸声结构在低频范围产生双吸收峰,峰值都接近准完美吸声,同时具有两个较宽的吸声带宽,结构厚度满足亚波长尺度,展现出了良好的低频宽带吸声特性。最后,通过严格的参数设计,仅耦合两个吸声单元后在250~900 Hz范围内得到了一个连续的吸声频带,平均吸声系数达到0.86,此时结构最大厚度为70 mm。该吸声结构具有优异的低频宽带吸声特性以及丰富的可调性等特点,在噪声控制工程领域具有一定的应用前景。     

水下覆盖层结构的声学特性分析

根据波动理论应用分层分析的方法得到了不同入射角度、不同背衬情况时声波在水下覆盖层结构中的吸声、反射系数以及透射损失等,并数值计算了不同入射角度下三种背衬条件下的透射损失,分析表明:声波垂直入射时透射损失性能最差;水背衬时水下覆盖层结构的透射损失低频时很小,中高频时急剧增加;单壳背衬低频时壳体本身起主要的吸收作用;中高频时水下覆盖层结构的吸收作用逐渐明显;双层壳背衬时其透射损失频响曲线出现谐振峰,削弱水下覆盖层结构的声学性能,总体来说,敷设非均匀结构要优于敷设均匀结构。     

高寒区高速列车阻尼铝型材低温环境下隔声特性研究

随着环境温度的降低,含阻尼层铝型材的隔声性能逐渐降低。通过理论分析阐明传播媒质特性阻抗对隔声的影响。通过隔声试验,分析从20℃变化到-40℃含阻尼层铝型材在400 Hz~2 500 Hz 1/3倍频程的隔声规律。建立含阻尼层铝型材的有限元模型,进行温度场仿真计算、隔声仿真技术和阻尼优化设计。理论分析表明:温度降低使空气特性阻抗增大,进而隔声量降低。试验结果表明:2 000 Hz频段的隔声量对温度变化最为敏感,灵敏度达0.17dB/℃,其次是2 500 Hz频段和500 Hz频段。仿真优化表明:使用耐低温阻尼替换原阻尼,可明显提高低温环境下的隔声量。     

弹性边界下机械阻抗板面积对吸声性能影响

文章研究了机械阻抗板吸声结构性能与板面积的关系,通过分析获得了机械阻抗板吸声结构的声品质因子和相对声阻率随面积变化的关系式,在此关系式的指导下讨论板面积增大对结构吸声性能的影响。结果表明：对相同材料制成的机械阻抗板吸声结构,随着板边长从0.1 m增大到0.6 m,结构的吸声频率向低频移动,吸声带宽稍微变窄,吸声系数先增大后减小。板面积扩大后需要调整板质量和黏弹性材料的阻尼,以保持结构的吸声峰频率不变,同时能够提高吸声系数的峰值,拓宽吸声频带。掌握机械阻抗板吸声结构性能随面积变化的规律对实际工程应用有指导意义。     

防火墙总成特性对汽车声学包性能影响

防火墙总成包括防火墙钣金件、内外前围饰件组合而成。内前围是整车声学包中最主要的内饰件之一,主要用于隔绝和吸收发动机中高频噪声传递。内前围需要具有足够高的吸隔声性能,以隔绝发动机噪声的传递及减小车内混响时间。不同的内前围结构形式和材料特性会对其吸隔声性能起到重要的作用,防火墙过孔及内前围安装工艺特征会直接影响到内前围的吸隔声性能,其结果是质量大（理论上具有较高隔声性能）的内前围在实际状态下并不能起到好的效果。结合理论和仿真分析内前围不同结构形式、不同覆盖面积、不同泄漏水平对声学包性能的影响,并通过防火墙隔声量测试验证分析结果。该结论可为防火墙总成设计及整车声学包设计优化提供指导与参考。     

基于Helmholtz共振腔阵列的声学超材料研究

为有效控制特定频段的噪声,基于Helmholtz共振腔阵列,通过Helmholtz共振腔短管位置的控制,设计了一种新型的局域共振型声学超材料。利用COMSOL Multiphysics软件求得新型声学超材料的能带图和传递损失曲线,并与具有单一方向开口的Helmholtz共振腔阵列的传递损失曲线进行对比;同时,为分析新型声学超材料的带隙形成机理,求得了其在带隙频率范围内的声压分布云图。通过试验测试了新型声学超材料的吸声性能。结果表明：新型声学超材料的能带图中产生了2段较窄带隙和1段较宽带隙,在带隙频率范围内,声学超材料传递损失出现峰值;第1带隙和第2带隙较窄,原因是单个Helmholtz共振腔局域共振,声波能量消耗少;第3带隙较宽,原因是Helmholtz共振腔与其周期排列形成的外部波导联合共振吸声,消耗大量声波能量。试验测试结果与仿真计算结果较为吻合,新型声学超材料可有效控制1 300~1 500 Hz和1 500~2 000 Hz频率范围内的噪声。研究结果表明,所设计的新型局域共振型声学超材料可有效实现中低频减振降噪,为声学超材料在中低频的降噪控制研究提供了新的思路。     

超细不锈钢纤维对厚微穿孔板吸声性能的影响

厚微穿孔板因其板厚增加而无法达到如薄板的吸声性能,为拓宽厚微穿孔板的有效吸声频带,以10 mm厚环氧树脂基微穿孔板为研究对象,在孔中穿入超细不锈钢纤维并用阻抗管法测量其吸声特性,研究结果显示,超细不锈钢纤维能有效拓宽厚微穿孔板的吸声频带,当钢纤维穿入率为50%,每孔钢纤维用量为0.75 mg时,吸声系数大于0.5的吸声频带为392-1 168 Hz,而无纤维微穿孔板的吸声频带为530-1 076 Hz。     

一种基于局域共振的低频超宽带隙瓣状声学超材料

针对低频声波的衰减问题,设计了一种基于局域共振(Local Resonance,LR)机理的带瓣型结构的声学超材料,并运用COMSOL有限元软件MULTIPHYSICS 4.3计算分析了所设计的结构元胞带隙特性及其振动特性,研究表明,所设计的声学超材料比无瓣型声学超材料带隙更宽,并且仅用单层结构同种元胞组合就可以在一定频率下形成较宽的多个完全带隙,而不需要通过不同种元胞组合或是多层结构的复合而达到一定带隙特性。在此基础上,进一步对所设计的声学超材料的几何尺寸进行了优化。