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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

软包装液体体积测量技术

目的实现软包装内液体体积的快速、非侵入测量。方法在研究亥姆霍茨共振器原理的基础上,分析共振腔体积改变对声学系统的影响;采用Virtual Lab软件对所设计的测试系统进行仿真计算,求取传递损失最大值频率与被测液体体积的关系;搭建软包装液体体积声学测试系统,采用Labview软件对管道入口、出口处的声音信号进行采集;采用声波分解法对信号进行分析,得到声学系统的传递损失。结果测试结果表明,软包装内液体体积由25增大至200 m L时(即共振腔腔体体积减小),测试系统传递损失的峰值所对应的频率由256上升至278 Hz。实验结果与仿真结果具有相同的趋势;系统的灵敏度为7.4 m L/Hz。结论所设计的基于亥姆霍茨共振器理论的声学测试装置可以实现对软包装液体体积的测量。     

铝硅闭孔泡沫铝吸声性能研究

利用熔体转移发泡法制备了不同孔隙率(厚度为20mm;孔隙率为67.3%、77.7%、80.4%、88.1%)和不同厚度(孔隙率为79.6%;厚度为10、20、30mm)的铝硅闭孔泡沫铝,运用驻波管法对其吸声性能进行了测试,对其吸声机理进行了探讨,并研究了孔隙率和厚度对其吸声性能的影响.结果发现铝硅闭孔泡沫铝吸声主要是通过亥姆霍兹共振器结构和孔壁微孔以及裂缝等来实现的,实验进一步证实其吸声特性曲线符合理论分析.铝硅闭孔泡沫铝的孔隙率和厚度对其吸声性能影响显著:吸声系数随孔隙率增加而增加;低频阶段,吸声系数随厚度的增加而提高,高频阶段,吸声系数随厚度的增加而下降,但整体吸声性能受厚度影响较小,只出现了最高吸声系数向低频处迁移的现象.     

耦合共振型进气消声器声学特性分析

为了拓宽消声频带、提高消声量,克服传统串并联腔体结构安装空间大等缺点,研究了一种新型耦合共振型进气消声器．利用一维平面波理论探究了Helmholtz消声器的消声机理;为准确模拟消声器突变结构处的高阶次声波,建立了并联共振腔结构和新型结构Helmholtz消声器的声学有限元计算模型;计算、分析、比较了各结构的消声特性,重点研究了新型结构尺寸参数对其共振频率与传递损失的影响．计算结果表明：由于腔体间空气耦合共振作用,两腔耦合共振型Helmholtz消声器具有3个共振频率;两共振腔连接管的长度与直径是影响该结构消声性能的关键尺寸,减小连接管长度或者增大直径都可以拓宽消声器的消声频带,提高消声性能．这将为主动、被动耦合共振型进气消声器的设计提供重要参考．     

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。     

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。