薄膜超材料的等效特性分析及试验研究

基于一维超材料梁的理论思想,将薄膜超材料简化成具有周期性的谐振单元和一维梁的结构;根据薄板的Kirchhoff理论,建立了整体结构的运动方程,计算了周期性谐振单元作用力及薄膜两侧载荷的声压差。利用牛顿第二定律及虚功原理,得到了薄板不同阶的振动模态幅值A_n所满足的运动方程。通过引入等效密度概念,得到等效密度共振形式受薄膜的刚度k、厚度h、谐振单元周期常数L及附加质量M等因素影响,并针对每种影响因素进行了等效密度峰值的分析;得出在一定尺寸范围内,得到了薄膜厚度h越薄,谐振单元刚度与质量的比值越小,共振频率越低的结论;而且周期常数L越大,薄膜自身的共振形式与谐振单元的共振形式同时存在,且薄膜本身的振动形式越强烈。通过探讨谐振单元质量与透射峰值的试验验证,表明质量-弹簧谐振子的共振作用对薄膜超材料的透射吸收起到至关重要作用。     

镶嵌薄膜结构的低频吸声特性分析与实验研究

为了对低声压级、低频带声波达到理想的吸收效果,提出了一种金属片镶嵌薄膜的复合吸声结构。分析了复合结构局域共振机理:通过薄膜材料的弹性波与每个结构单元的共振特性相互作用,可以产生局域共振带隙,从而使薄膜中的行波不能进行传播。利用传递矩阵法计算了镶嵌结构与薄膜空腔结构结合后的声阻抗,得到理论的吸声系数。通过试验得到复合结构中结构单元和薄膜的阻尼系数与弹性系数,对复合结构进行吸声系数测试,与理论计算值进行对比,理论计算结果与试验吸声系数吻合较好。采用薄膜两侧镶嵌结构单元与一侧的进行试验比较,得到两侧镶嵌结构的吸收峰值附近频带较宽,一些吸声系数达到0.95,实现了低频噪声的高效吸收。     

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。     

基于声学虹吸效应的水下低频大宽带吸声机理研究EI北大核心CSCD

利用有限元软件COMSOL建立了薄板型超材料的仿真模型,在声学虹吸效应基础上研究了其低频大宽带吸声机理。通过探究在声学虹吸效应作用下压差声汇机理、声阻抗匹配机理及负动态等效密度机理,验证了该超材料的低频大宽带吸声性能;讨论了面积比、薄板厚度和质量块高度等参数变化对于薄板型超材料的吸声性能影响。结果表明:当一定频率的平面波入射该超材料时,会在元胞某一位置处发生共振,具有最大的吸声量,在不同面积比的情况下,该超材料仍然具有较为匹配的声阻抗,几乎所有入射能量可以被迫流向这种谐振元胞,增强元胞振动,使之仍然保持良好的吸声效果;当薄板厚度变小或者质量块高度变大时,吸声系数的峰值频率会向低频移动。最后,通过合理设计优化薄板型超材料的各项参数实现了水下100-500 Hz的低频大宽带吸声。     

基于蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料低频带隙研究EI北大核心CSCD

为降低居民区变压器的低频振动噪声并促使变压器环保达标,提出一种采用周期性配置蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料,以期实现变压器本体减振降噪。通过建立蝶形准零刚度弹簧的静力学理论模型,推导了蝶形准零刚度弹簧的回复力-位移、刚度-位移解析表达式,分析了其在平衡位置处的准零刚度特性,并采用有限元仿真验证了蝶形准零刚度弹簧的力学性能;以此为基础,基于欧拉-伯努利梁理论建立了由蝶形准零刚度弹簧周期性耦合硅钢片梁和硬铝合金梁构成的双梁超材料的元胞动力学模型,结合连续边界条件和周期性Bloch定理推导了双梁超材料的弯曲振动色散关系,研究了其低频带隙形成机理,仿真分析了双梁超材料的低频带隙特性。结果表明,通过蝶形准零刚度弹簧周期性弹性耦合硅钢片梁与硬铝合金梁形成的双梁超材料可产生应用于变压器铁芯硅钢片低频振动噪声高效抑制的低频带隙,且该低频带隙由布拉格散射-局域共振混合机制产生,为变压器低频振动噪声控制提供了一种崭新的思路。     

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。     

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。     

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。     

穿孔管与超材料薄膜耦合的消声结构的设计及性能研究

用于消减宽频带低频噪声的消声器的结构尺寸较大,且消声性能较差.因此,利用穿孔管的宽带消声特性和膜结构对低频噪声良好的消声性能,设计了穿孔管与超材料薄膜耦合的消声结构.分析了消声结构的消声机理,仿真分析了消声结构参数对消声性能的影响.结果表明:主管道内声波与消声结构谐振系统的耦合强度越大,薄膜的振动越剧烈,反射回上游管道...     

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。     

基于动力反共振结构的周期细直梁纵向局域共振带隙研究

引入动力反共振结构,构建了一种具有低频局域共振带隙的新型细直梁周期结构。基于传递矩阵法和Bloch理论推导了无限周期细直梁纵向振动弹性波能带结构的理论模型,利用有限元法建立了有限周期细直梁纵向振动传输特性的数值模型,仿真结果与理论计算基本吻合。通过分析局域共振带隙与共振子等效质量和等效刚度的关联,阐述了动力反共振周期结构对细直梁纵向振动的隔振机理,给出了局域共振带隙的变化规律。研究表明,与采用弹簧质量为局域共振子的细直梁周期结构相比,应用动力反共振结构能够实现更低的带隙初始频率。     

三组元栅格板的振动特性研究

依据声子晶体的局域共振机理提出了一种三组元板状周期栅格结构。利用有限元法分析计算了这种新型栅格结构的色散关系和特征模态的位移场。由能带结构图和振动传递的有限元仿真结果可知,栅格结构拥有多个方向的低频振动带隙。局域共振带隙是由行进波和振子的共振相互作用产生的。以第一个弯曲振动带隙为例,结构参数对带隙的影响可以用等效的质点弹簧系统模型来解释。这种三组元板状周期栅格结构有望应用于低频振动的隔振设计中。     

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。     

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...     

低频强声实验舱的声学性能

0引言谐振式声波发生器(葛尔登哨和哈特曼哨)是一种机械式声波发生器,其结构简单、没有运动的构件,可靠性高,在功率超声、声学清洗和锅炉除灰等领域得到广泛应用[1]～[7]。低频强声实验舱以谐振式声波发生器为声源,可以用于低频强声的生物效应和材料的声学研究等方向研究。     

非对称类声学超材料的低频宽带吸声特性

低频声波的控制长期以来是一个具有挑战性的课题,当前热点研究的膜类声学超材料能够解决低频的问题,然而吸声共振频率的降低是以牺牲共振带宽为代价的,即要达到低频吸声的需求只能降低吸声带宽。以吸收型膜类声学超材料为研究对象,研究共振质量块的非对称性对结构低频、宽频吸声性能的影响,并得出了以下结论:在非对称模式下,结构整体的吸声性能得到了极大的提高,吸声带宽从原来的窄频扩大为宽频;等效质量密度经过零点的频率都对应于吸声系数的峰值,在非对称模式的影响下,结构的整体弹性应变能在全频段内高于对称模式的应变能;因结构非对称性引起的各阶吸声峰值频率受共振块的质量调节,并呈现一定的规律,依据该规律最终设计了一种吸声结构,并通过数值计算达到了低频宽带的吸声效果。此研究对改善膜类声学超材料的低频宽带吸声性能有着重要的指导意义。     

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。     

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。     

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:(...