双层超材料板的弯曲波超低频带隙特性研究

针对局域共振型双层超材料板，利用有限元法研究了几何参数与材料组分参数对弯曲波带隙的影响。通过优化计算得到较合理的参数，进而设计了附加钢质量块的ABSPMMA材料双层板，结果表明其在亚波长尺寸可以打开超低频54-65 Hz弯曲波带隙。将该超材料板建立等效弹簧质量系统，求解等效动态质量的负密度频率段与弯曲波带隙宽度很好地一致，并进一步阐述带隙产生机理。考虑板的隔声性能，分析了不同声波入射角对传声损失的影响，在带隙频率范围内的57 Hz点传声损失(STL)幅值均能取得最大值，这表明超低频带隙能够起到良好减振降噪效果，由此显示这种新型双层超材料板在工程领域具有广泛的应用。     

声学超材料板的弯曲波带隙与减振降噪特性

利用周期结构的波传播理论和有限元法相结合的方法计算了含双层柱状局域共振结构的声学超材料板的能带结构图,分析了晶格常数的变化对超材料板的带隙特性的影响。研究发现:晶格常数的变化会影响基板和柱体的振动耦合作用,对超材料板的带隙特性产生显著影响。通过对比不同算例,分别得到了限定或不限定局域共振结构附加质量比条件下,晶格常数对带隙的调控规律,研究表明选择适中的晶格常数,可以增大带隙的归一化宽度。此外还进一步仿真计算了超材料板在力激励下的振动与声辐射特性,结果表明在带隙频率范围内,超材料板具有良好的低频宽带减振降噪效果。论文研究为基于带隙理论的板类结构的低频宽带减振降噪设计提供了有益参考。     

谐振放大压电声学超材料梁带隙特性研究

声学超材料具有亚波长带隙,可应用于结构振动与噪声控制。引入压电材料和谐振分流电路,可以利用电磁振荡和压电材料机电耦合特性在超材料内部形成可调谐局域共振带隙。传统压电声学超材料受到已有压电材料机电耦合系数的限制,带隙一般较窄,无法满足大柔性结构振动与噪声控制中低频宽带需求。因而,该文提出一种谐振放大压电声学超材料梁结构。将压电片划分为传感极和驱动极,传感极输出电压经过运算放大电路放大,然后与谐振电路相连,实现局域共振效果的增强,从而增大带隙宽度。采用有限元方法建立压电声学超材料梁带隙计算模型,分析了带隙位置和宽度随电路放大倍数的变化,研究了等效弹性模量与带隙的关系;利用商用有限元软件仿真分析了有限周期梁的振动传递特性,验证了带隙计算方法的正确性。研究结果表明,放大电路有效增强了电路的局域共振效果,随着放大倍数的增大,带隙频率降低,带隙宽度增大。     

新型多共振腔声子晶体声屏障的带隙机理及其隔声性能研究

为控制道路噪声水平,设计了一种新型多共振腔的声子晶体声屏障。该设计先采用理论和仿真计算分析多腔声子晶体的能带结构,研究不同共振腔数量和晶胞形状对声子晶体禁带特性的影响情况,发现随着共振腔个数的增加,带隙的数量和宽度也在增加;针对同种多腔散射体模型还对不同晶格排列方式进行能带特性分析,阐明不同排列方式对带隙范围的影响。为进一步验证带隙的准确性,利用有限元法和边界元法分别仿真计算六共振腔声子晶体声屏障的传递损失,得到的传递损失曲线与其带隙特性能较好的匹配上。最后利用室外试验分别验证其在三角晶格和正方形晶格排列下的隔声效果。试验证明了该新型多共振腔声子晶体声屏障在带隙范围内具有良好的降噪性能。     

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。     

幂指数棱台局域共振型声子晶体板的带隙特性与减振机理研究EI北大核心CSCD

针对船体板结构的振动控制,提出了一种新型幂指数棱台局域共振型声子晶体构型。研究表明,该声子晶体兼具局域共振低频带隙和声学黑洞高频带隙,对高频激励和低频激励均有较好的减振效果。声子晶体其低频带隙因共振单元的局域共振效应产生,带隙频段为78~115 Hz。在声子晶体能带结构的高频段中发现了隐藏于平直带的U型频散曲线,且频散曲线间的频段可有效抑制板的垂向振动,即产生垂向高频振动带隙。高频带隙产生的机理是幂指数棱台斜面的能量聚集效应形成的局域共振。随着散射体高度增大,低频带隙的中心频率降低,且带宽增大。棱台的幂次升高会使高频带隙的起始频率与终止频率降低,而边缘厚度的增高会使高频带隙的带宽逐渐变窄。新型声子晶体相较传统声学黑洞构型可有效提高船体板结构强度,从而可实际应用于船舶结构工程领域。研究成果可为舰艇结构振动控制提供支撑。     

一种局域共振型声学超材料的半解析建模与带隙机制研究

基于声学黑洞(acoustic black hole, ABH)弧形梁体积小且模态频率丰富的特点,将声学黑洞弧形梁作为附加结构周期分布在直梁上,达到促进局域共振效应和拓宽低频带隙的作用,由此构建一种新的局域共振型声学超材料。针对局域共振型超材料,采用高斯展开法,建立其半解析理论分析模型,基于零空间法处理其内部连接以及周期边界条件,并通过有限元法验证半解析理论分析模型的准确性。分析和计算其能带结构,研究结构参数以及ABH效应对布拉格带隙以及局域共振带隙的影响机理。研究结果表明,该半解析理论模型能够对结构的带隙进行有效计算,附加弧形ABH的陷波机制能够促进结构的局域共振效应并对主梁进行有效减振,为声学黑洞声学超材料的应用提供了新的思路。     

低频消声周期管路设计及其声学性能测试

为控制船舶空调通风管路系统的低频噪声传播，设计了多个Helmholtz消声器周期安装、具有低频消声特性的空调通风管路。该管路上等间距开有多个螺纹孔座，Helmholtz消声器可以选择不同的安装间距通过颈管的外螺纹与螺纹孔座配合安装于空调通风管路上，形成不同晶格常数的周期管路。对周期管路的声传播特性进行数值计算，从理论预测了所设计周期管路中可抑制声传播带隙的存在，同时给出了带隙的精确耦合条件。进一步，测试了周期管路的减噪量(noise reduction, NR)和插入损失(insertion loss, IL)。计算结果和实测结果表明，设计的声学周期管路确实存在局域共振带隙和布拉格带隙，带隙频率范围内可有效抑制管内声波传播。此外，这两种带隙位置可由安装间距进行调节，在一定条件下，两种带隙相邻带边可相互接合，形成耦合带隙。耦合带隙显著改善耦合前布拉格带隙的声衰减性能，与局域共振带隙耦合形成具有低频、宽带、强衰减的声衰减带，能有效衰减管内低频空气噪声传播，达到船舶空调通风管路系统低频噪声降噪的目的。     

周期新型超材料板多阶弯曲波带隙研究

利用了声子晶体带隙性质的概念,结合局域共振原理,提出了一种新型周期超材料板结构。这种结构是由具有负等效模量的声学超材料子结构作为共振单元,周期排列在薄板上形成的。在共振单元的作用下,不仅在低频范围内产生带阻特性,还引起了部分弯曲波发生波型转换并产生相应的多阶带隙,使得在多个频段范围内阻断波的传播,扩大了抑制振动传递的频率范围。利用平面波展开方法分析了结构的弯曲波带隙,并且和有限元方法得到结果进行比较,得到了一致的频散关系。对有限超材料板的振动传递损失也进行了分析,数值计算结果证明了所求频散关系的正确性以及本文提出的隔振结构对振动衰减的有效性。除此之外,研究了局域共振单元的参数和单胞尺寸对结构带隙性质产生的影响,为选取合适的参数满足特定隔振要求(低频,宽带等)的超材料板结构提供了参考依据。     

直升机舱室声学超材料壁板的低频隔声性能分析

在直升机飞行过程中,旋翼、尾桨等噪声源在舱室内产生强烈的低频噪声,严重影响直升机的驾乘舒适性,长时间的噪声暴露会危及驾驶安全。直升机舱室常用的夹层壁板结构可有效隔绝中、高频噪声,但其低频隔声性能一般较弱。为有效降低直升机舱室内低频噪声,将局域共振型声学超材料与舱室夹层壁板结合,建立直升机舱室声学超材料壁板模型,采用有限元法分析平面波入射激励下声学超材料壁板的低频隔声性能,并探索局域振子质量、层间结构对隔声性能的影响规律。结果表明:相比敷设阻尼材料、布置动力吸振器等传统舱内降噪方法,声学超材料壁板能有效隔离低频噪声,形成380 Hz~620 Hz的宽低频带隙。增加局域振子质量可有效拓宽带隙宽度并增强带隙内声透射损失,增加纵向加强筋数目可增强结构整体刚度,使振动衰减。声学超材料内饰的引入可为解决直升机舱室低频噪声问题提供技术路线。     

薄膜型声学超材料的管道消声特性研究

针对管道低频流噪声难于有效控制的弊端,设计了一种薄膜型声学超材料及其性能测试装置,根据声波传递理论计算了管道内薄膜在声压作用下的振动特性。利用COMSOL软件的声固耦合模块研究了薄膜的消声特性,并进行了对比试验。结果表明:薄膜在低频范围内有较好的消声性能,薄膜的共振频率即为其消声工作频率;薄膜的振幅越大,传递损失值越高,最高达54 dB;薄膜参数的变化对超材料的消声性能有调节作用,通过改变施加在薄膜上的预应力和薄膜厚度,分别实现了传递损失峰值频率偏移120 Hz与110 Hz;通过改变附着质量块大小,实现了100 Hz及以下超低频消声。相关研究为主动声学超材料以及紧凑型管道消声器的设计提供了依据。     

多级柔性壁声衬设计及其消声性能研究

为有效拓宽声衬的消声频带,针对亥姆霍兹共振器消声选择性强,传统单一声衬消声频带特定且不可调节,缺乏灵活性的缺陷,提出了一种多级腔体的新型柔性壁声衬结构。采用铝合金材质的多级柔性壁代替传统声衬的单级刚性壁,通过施加电压调节柔性腔体体积,使得其消声频带变宽且发生偏移。在选定传递损失作为多级柔性壁声衬消声性能评价指标的基础上,分别进行了柔性壁的静/动态性能仿真与实际性能测试,根据仿真结果与实际测试结果确定了柔性壁具有较好的形变性能及消声性能。介绍了多级柔性壁声衬结构设计方法,而后加工了声衬样品并搭建测试平台进行消声性能测试。实验结果表明：在不施加电压时,多级柔性壁声衬的传递损失在频率为1 386 Hz时达到峰值,即共振频率为1 386 Hz;当驱动电压分别为-100,100和200 V时,其共振频率分别为1 420,1 370和1 364 Hz。通过调节电压幅值,该多级柔性壁声衬的消声频带实现了56 Hz的偏移。研究表明所提出的多级柔性壁声衬结构对噪声的宽频抑制具有一定的作用。     

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。     

高转速单螺杆压缩机共振式消声器的设计及其应用

本文主要介绍了共振式消声器的亥姆赫兹共振吸声原理,并提供了共振式消声器的设计方法和计算公式。针对高转速单螺杆压缩机排气口1 000 Hz倍频带噪声偏高的问题,设计了一款共振式消声器来降低噪声。通过试验验证,安装了共振式消声器后,压缩机排气口在1 000 Hz倍频带的噪声由原来100.2 d B降到90.3 dB,下降了9.3 dB,降噪效果明显。     

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。     

亥姆霍兹消声器自适应控制方法研究

为弥补传统亥姆霍兹消声器消声频带较窄,无法适应噪声频率多变的实际环境的缺点,提出了一种具有自适应调节功能的亥姆霍兹消声器。采用步进电机与曲柄连杆驱动亥姆霍兹消声器腔体的背板移动,从而改变消声频率;利用MATLAB软件进行了数值分析,获得了最优结构;基于LabVIEW软件进行自主降噪控制编程。实验结果表明,当噪声频率从385 Hz变化到860 Hz时,所设计的消声器可以实时调节腔体体积,实现有效消声,且降噪量最高可达24 dB。与传统消声器相比,自适应亥姆霍兹消声器不仅实现了有效消声,而且实现了自适应频率可调,消声能力得到了显著改善。     

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。     

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。     

引入声全息技术的发动机噪声源识别试验研究

针对某型3缸汽油发动机运用声全息技术进行发动机噪声源识别。首先在台架上对发动机进行1m声压级瞬态测试,由此确认进气侧的噪声辐射最大。然后在进气侧进行声全息试验,通过分析声压云图和噪声频谱,识别出该发动机进气侧的主要噪声源位于发电机处,噪声峰值频带为1 000 Hz~2 500 Hz。为了确定噪声源具体位置,结合近场声压法和表面振动法,在声全息识别出的主要噪声源位置进行补测试验,发现发电机的振动和近场噪声峰值频带均与1 000 Hz~2 500 Hz重合,由此可以确定该发动机进气侧的主要噪声源是发电机。综合运用声全息技术和传统的噪声源识别方法对发动机进行噪声源识别试验,不仅可以提高传统识别方法的效率,还可以弥补声全息技术精度不高的缺陷。     

轨道交通地下站台低频结构噪声预测及其传播特性研究

该研究在对地下车站站台噪声现场试验及分析的基础上,通过对站台结构的精细化模拟,建立适用于站台结构振动辐射噪声分析的声场有限元模型,对轨道交通列车荷载作用下站台内低频结构噪声进行预测,分析了站台空间内低频结构噪声的声场分布特性,并从声模态的角度揭示了低频噪声传播机理。研究结果表明:地下站台低频噪声在50 Hz~85 Hz内存在显著峰值,主要来源于站台板的结构振动;低频结构噪声在站台不同平面位置的声压级水平表现出显著波动性,声压级大小在68.6 dB~80.4 dB,波动范围为12 dB;站台声腔敏感共振频率对低频结构噪声的影响显著,会显著放大车站低频结构噪声,改变声腔的高度可有效改善低频结构噪声对乘客的影响。