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。     

非对称双层薄膜型局域共振声子晶体低频隔声性能研究

薄膜型局域共振声子晶体结构简单、既薄又轻，是理想的低频隔声材料。本文对非对称结构双层薄膜型局域共振声子晶体材料的声学低频隔声性能进行研究，讨论了声子晶体非对称结构中质量块分布方式、位置以及数目对声学衰减特性的影响，研究表明非对称结构双层薄膜型声子晶体由于其非对称的结构能够在低频呈现出优异的轻质、宽频隔声特性，且通过调节质量块在薄膜上的位置、质量块的数量及分布方式对声波隔声的频率位置进行调节。     

非对称双层薄膜型局域共振声子晶体低频隔声性能研究

薄膜型局域共振声子晶体结构简单、既薄又轻，是理想的低频隔声材料。本文对非对称结构双层薄膜型局域共振声子晶体材料的声学低频隔声性能进行研究，讨论了声子晶体非对称结构中质量块分布方式、位置以及数目对声学衰减特性的影响，研究表明非对称结构双层薄膜型声子晶体由于其非对称的结构能够在低频呈现出优异的轻质、宽频隔声特性，且通过调节质量块在薄膜上的位置、质量块的数量及分布方式对声波隔声的频率位置进行调节。     

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。     

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...     

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:(...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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～2 000 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：(1)在10 Hz～2 000 Hz频率范围内，相比空腔型覆盖层，复合结构的平均吸声系数提高到0.497；(2)复合结构的低频吸声机理为：通过下半部分空腔变形实现纵波向横波的转化，通过局域共振结构的反共振消耗声能，二者共同作用，提高吸声系数；(3)耦合产生的吸声峰峰值主要随覆盖层损耗因子的增大而增大，峰值频率主要随薄膜面积的增大而向高频移动。研究结果可为声学覆盖层的低频吸声特性设计提供理论指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于声学超材料的低频隔声模型设计

由于低频声波波长较长且穿透力强、难以衰减,能很轻易地绕过障碍物,所以排除低频声波的干扰一直是声学研究中的一大问题。为了实现对低频波的有效吸收,解决现代生产生活中普遍存在的噪声污染问题,以声学超材料为基础,利用COMSOL有限元软件研究设计一种二维三分量局部共振型超材料模型,对不同频率、不同厚度和不同形状结构的超材料模型隔声效果展开研究。经仿真实验结果验证,模型能够实现对低频声波的吸收,在20～3 000 Hz频率范围内有效降低低频宽频噪声,最大可得到30 dB的声衰减,从而达到良好的低频隔声效果,这项研究对声学的发展有很好的现实价值和发展空间,为民用及军用领域对减振降噪的高需求提供了更多的可能,可在许多不同的应用中发挥作用。     

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。     

吸声超材料研究进展

介绍了基于局域共振机理的吸声超材料的基本原理和其负等效质量密度、负等效体积模量和两者"双负"的特点,详细介绍了基于局域共振机理的声子晶体型、薄膜型、声子玻璃型和频率编码型等吸声超材料的结构形式、基本原理和性能特点。还介绍了基于其它吸声机理的超材料的结构特点、吸声原理和最新研究进展。最后,对吸声超材料的未来发展方向进行了展望。