微穿孔板复合板型声学超材料的低频吸声

针对单层微穿孔板的低频吸声问题提出了微穿孔板复合板型声学超材料结构。将板型声学超材料置入微穿孔板结构的背腔内部实现结构复合。实验结果表明:在相同背腔厚度下,复合结构的吸声性能整体优于单层微穿孔板结构,其中复合结构的吸声曲线从396~892 Hz均大于0.6,在453 Hz处吸声系数达到0.972。利用有限元方法对复合结构进行了仿真,仿真计算的吸声曲线与实验吸声曲线的趋势基本相同,同时发现低频吸声主要由板型声学超材料与声波相互作用贡献。板型声学超材料的吸声峰值的对应频率处,其等效动态质量密度从正变负。在复合结构内部的微穿孔板和板型声学超材料存在相互耦合作用,使得复合结构的第一峰值发生微小偏移。增加板型声学超材料的质量块重量可以使第一吸声峰值向低频移动;保持总背腔厚度不变,增加板型声学超材料的子腔厚度,也可以使第一吸声峰向低频移动。      

内置谐振器的轻薄宽频吸声器结构设计与分析*

微穿孔板吸声器的吸声频带相较于亥姆霍兹谐振器更宽,但其低频吸声的实现需要较大的空气背腔,这对结构尺寸有限制的场合存在一定局限性。本文设计了一种轻薄吸声降噪结构(内置亥姆霍兹谐振器的微穿孔板吸声器,简称MPPHR),将微穿孔板吸声器与亥姆霍兹谐振器进行了结合,提升吸声器的低频吸声性能的同时兼具了微穿孔板宽带吸声的优点。首先基于微穿孔板和亥姆霍兹谐振器理论建立了等效电路模型并计算了结构的声阻抗。然后通过有限元对MPPHR的吸声特性进行了参数研究。最后验证了MPPHR的声阻抗模型和有限元仿真的准确性。研究结果表明：MPPHR结构拥有更宽吸声频带,厚度仅为30mm的MPPHR的半吸收频带可达1294Hz,相较于同等厚度下的微穿孔板吸声器宽近500Hz。此外,MPPHR拥有更好的低频吸声效率。     

水下弹性微穿孔吸声结构吸声系数研究

利用模态叠加法建立了水介质微穿孔板的数学模型,基于声电类比法得到其等效电路模型。研究了弹性微穿孔板和弹性背腔对垂直入射吸声系数的影响。与空气介质中的微穿孔板不同,水下微穿孔板因结构阻抗不足,难以取得满意的吸声效果,为此提出了增强型微穿孔吸声结构,并在水介质阻抗管内对理论结果予以验证。结果表明,随着增强型弹性微穿孔板弯曲刚度的增大,其在[20,2000]Hz范围内的平均吸声系数得到提高,逐步趋近于刚性微穿孔板的结果,弹性背板使微穿孔吸声结构的吸声峰向低频移动,低频吸声效果得到提高。      

微穿孔介电弹性体薄膜的吸声性能试验分析*

针对普通薄膜型降噪结构的吸声性能较差和吸声带宽较窄的问题,本文设计了一种微穿孔的介电弹性体薄膜吸声结构。该结构由穿孔的介电弹性体薄膜与背腔组合而成,目的是拓宽介电弹性体薄膜低频率段的吸声带宽。针对微穿孔的介电弹性体薄膜吸声结构,从试验角度分析穿孔薄膜初始厚度、穿孔孔径及穿孔间距对结构吸声性能的影响。分析结果可知：通过适当增加薄膜的初始厚度,薄膜的整体吸声性能得到有效提升,最大可将319Hz吸声频带的吸声系数从0.2提升至0.7;减小薄膜的穿孔孔径能够有效拓宽穿孔薄膜的吸声频带,可使吸声系数0.4以上的吸声带宽由304Hz拓宽至432Hz;适当控制穿孔间距能够达到更好的吸声效果。     

金属片镶嵌微缝薄膜结构的吸声特性分析*

为了使声波在低声压级、低频带达到理想的吸收效果,本文提出了金属片镶嵌微缝薄膜结构理论模型,并分析了该模型的吸声机理。首先将该结构的力学模型看作多自由度系统,构建振动微分方程,得到了金属片镶嵌薄膜的分布位置与每段薄膜弹性系数之间的关系。并在此基础上分析了激励频率与固有频率之间的关系,得出基频对该结构吸声效果的影响。然后利用有限元软件对该结构的模态振型和声阻抗进行了分析,得到了镶嵌在微缝薄膜上的金属片与声波的耦合形式。最后通过试验对该结构的吸声特性进行了验证,结果表明:吸收峰值受镶嵌位置影响较小,平均吸声系数变化不大,一阶固有频率会受镶嵌位置的改变而改变。     

微缝吸声体理论

窄缝可做为声学原件,这是已知的。窄缝的声阻抗严格公式以及低频近似公式都存在。本文发展了窄缝的基本理论,求得了其声阻抗的简单实用公式。由此可见,缝宽减小至丝米级,其阻抗比将超过一,因而微缝板加后腔形成的微缝吸声体可具有良好吸声性能,而不需任何多孔性或纤维性材料。文中提出微缝吸声体的概念和严格理论,并讨论其吸声性能。微缝吸声体的公式与微穿孔吸声体的完全相似,只是其声阻系数较小而声抗过大,一般说,如参数相同,其吸声特性将比微穿孔吸声体为差。改进措施可有效地补救。     

对称折叠通道结构的低频通风吸声体*

为了消除或减少低频噪声,该文 提出了一种低频通风超材料吸声体,该吸声体由对称的折叠通道结构组成,具有深度亚波长、高通风空间占比和低频高效吸声的特性.通过传递矩阵方法、有限元模拟和四麦克风实验法,揭示了对称折叠通道结构通风吸声的物理机制.首先在理论上分析单个吸声体的通风吸声性能并进行了仿真模拟,在共振频率423 Hz附近,吸声系数大于0.9,通风空间占比高达40%.吸声单体的共振频率可通过改变折叠通道的长度来灵活调控,组合多个不同共振频率的吸声单体可以拓宽吸声体的有效吸声带宽.由四个吸声单体组合的通风吸声体可实现314－366 Hz频率范围内的高效声吸收(吸声系数大于0.8),且通风空间占比达到35%,而结构厚度仅为314 Hz时波长的1/10.该低频通风吸声体具有结构简单、结构强度高和容易制造等特点,在低频通风降噪领域有着潜在的应用前景．     

一种具有动态磁负刚度薄膜声学超材料的低频隔声特性

为提升薄膜/板状结构的低频隔声特性,本文提出一种具有动态磁负刚度的新型准零刚度薄膜声学超材料.首先,应用等效磁荷理论推导了动态磁负刚度;然后,基于伽辽金法建立了有限尺寸下薄膜/板结构的隔声理论模型.通过理论分析、数值仿真及实验测试相结合的方法,从结构模态、振动模式、平均速度、相位曲线、等效质量密度和等效弹簧-质量动力学模型等多个角度对其低频(1—1000 Hz)隔声机理开展了研究.结果表明:在初始薄膜张力一定时,减小磁间隙或增大剩余磁通密度均可增大动态磁负刚度,进而减小隔声峰值频率,增加隔声带宽,实现了较宽频段下的有效低频隔声;进一步,当磁间隙大于第二临界磁间隙小于第一临界磁间隙时,结构的一阶模态共振消失,对应隔声谷值大幅提升,显示出超宽频段的隔声效果.这种利用动态磁负刚度改善模态共振导致的低频隔声谷值的方法对薄膜/板型低频隔声超材料的设计具有重要的理论指导价值.     

吸声型薄膜声学超材料低频宽带吸声性能研究*

本文根据吸声型薄膜声学超材料的吸声机理，在传统的吸声型薄膜声学超材料结构的基础上引入质量非对称结构， 优化了不同厚度质量片的排布方式，并根据优化结果制备了能够实现低频宽带吸声效果的薄膜声学超材料样品。对其进行声学实验的测试结果显示，样品在 100-1000Hz 频率范围内的平均吸声系数达 0.25，并在 250-800Hz 频率范围内出现了多个共振吸收峰，且实验测得的吸声系数曲线与仿真曲线的趋势有较高的一致性。因此该样品实现了低频宽带吸声。     

载流弹性薄板结构吸声性能的研究

对弹性薄板吸声结构在水下的吸声性能进行了研究,推导了载流弹性薄板结构声阻抗的解析解。提出并计算了薄板结构的势能因子B_(nm)、动能因子A_(nm)和载流因子系数χ。得出薄板结构吸声性能严格的解析理论和幂级数近似表达式,本文获得的结果使薄板理论的吸声机理更加清晰,计算也更加简化。通过低频水声管对薄板结构进行了测试,测试结果和理论计算结果吻合得较好,验证了本文理论的正确性。     

Enhancement of low-frequency sound absorption of microperforated panels by adding a mechanical impedance

In order to solve the bad low frequency sound absorption of the Micro-Perforated panel(MPP)absorber,mechanical impedance was introduced in the back of the MPP absorber to form a composite structure.According to the same particle vibration velocity on both sides of a plate,the mechanical impedance plate transfer matrix could be obtained.The units of the mechanical impedance,cavity and MPP were connected in series with the use of the transfer matrix method,thus creating the composite structure’s theoretical calculation model.The quality factor affecting absorption bandwidth was analyzed.Bandwidth is inversely proportional to the mechanical impedance plate mass.During the experiments,when at close to 400 Hz,the composite structure reached an absorption peak with a coefficient of above 0.8.Experimental results concurred with theoretical calculations.Mechanical resonance is added based on the traditional MPP resonance sound absorption mechanism.Through this,the performance of low frequency sound absorption can be improved without increasing the thickness of the structure.The frequency band can be broadened by reducing the mechanical impedance plate mass and controlling its boundary-damping coefficient.     

机械阻抗与声阻抗结合提高微穿孔板低频吸声性能

提出了在微穿孔板后部引入机械阻抗形成组合结构来解决微穿孔板低频吸声性能差的问题。由机械阻抗板两侧质点速度相同得出机械阻抗单元的传递矩阵,采用传递矩阵法将其与空腔、微穿孔板单元串接,建立组合结构理论计算模型;通过分析品质因子获得带宽与机械阻抗板质量成反比;试验得出组合结构在400 Hz附近有系数为0.8以上的吸声峰值,试验结果与理论计算吻合。在传统微穿孔板共振吸声机制的基础上加入机械共振,能够实现在不增加结构厚度的前提下提高低频吸声性能;降低机械阻抗板质量并且适当控制边界阻尼系数可以实现吸声频带的拓宽。      

双层螺旋环超表面复合吸波体等效电路模型及微波损耗机制

针对超材料吸波频带窄的问题,采用金属螺旋环超表面与碳纤维吸波材料相复合的方式,设计了宽频高性能复合吸波体.研究发现,在碳纤维吸波材料中引入双层螺旋环超表面能显著增强吸收峰值和吸波带宽,且适当增加螺旋环初始线长和吸收层厚度有利于提高复合吸波体的吸波性能, 9.2—18.0 GHz频段的反射损耗均优于–10 dB (带宽达8.8 GHz),吸收峰值达–14.4 dB.利用S参数计算得到螺旋环-碳纤维复合吸波体的等效电磁参数和特征阻抗呈现多频点谐振特性,通过构建双层螺旋环超表面等效电路模型,定量计算了复合吸波体的电磁谐振频点,发现由等效电路模型获得的谐振频点计算值与仿真值基本相符,说明该复合吸波体多频点电磁谐振是宽频电磁损耗的主要机制.     

Multiband terahertz metamaterial absorber

This paper reports the design of a multiband metamaterial (MM) absorber in the terahertz region. Theoretical and simulated results show that the absorber has four distinct and strong absorption points at 1.69, 2.76, 3.41 and 5.06 THz, which are consistent with `fingerprints' of some explosive materials. The retrieved material parameters show that the impedance of MM could be tuned to match approximately the impedance of the free space to minimise the reflectance at absorption frequencies and large power loss exists at absorption frequencies. The distribution of the power loss indicates that the absorber is an excellent electromagnetic wave collector: the wave is first trapped and reinforced in certain specific locations and then consumed. This multiband absorber has applications in the detection of explosives and materials characterisation.     

准全向平板超材料吸波体的设计

本文设计了一种具有准全向吸波特性的平板超材料吸波体,其准全向吸波特性是由超材料吸波单元的双面吸波、极化不敏感和宽入射角实现的.理论分析和仿真结果表明:该吸波体在6.18 GHz的确有一个双面吸波的吸收点,且吸收率对极化角和入射角均不敏感.提取的等效阻抗表明可以调节超材料的电磁响应使其在吸收频率处与自由空间阻抗匹配来抑制反射.仿真的能量损耗分布表明:该吸波体对电磁波的吸收主要源于基板的介质损耗;采用两种不同介质基板的设计可使前吸波体与后吸波体的耦合度明显降低、抑制耦合所导致的传输.该吸波体可能在许多领域具有 关键词： 准全向吸波 双面吸波 极化不敏感 宽入射角     

极化控制的双波段宽带红外吸收器研究

红外吸收器在红外隐身、辐射制冷、红外探测、传感器等方面有重要的应用前景.一维光栅型吸收器由于其结构简单、易于加工的优势备受关注,然而其不足之处是频带很窄,且只对一种极化有效.本文提出了一种基于简单一维周期结构的双波段宽带吸收器,对横磁波和横电波都有效,且吸波频段随入射波的极化方式而改变.该结构的基本单元由八个梯度排列的子单元构成,每个子单元由两层金属-介质双层膜垂直层叠组成.全波仿真结果表明,在1.68—2μm波段,该结构对横磁波吸收超过90%,而对横电波吸收很小(小于6%);在3.8-3.9μm波段,该结构对横电波吸收超过90%,而对横磁波吸收很小(小于5%).另外,该结构具有宽角度吸收特性,当入射角增大到60°时仍然能够保持较高的吸收率和较宽的吸收频带.     

A theoretical study on the effect of a permeable membrane in the air cavity of a double-leaf microperforated panel space sound absorber

A double-leaf microperforated panel absorber (DLMPP) is composed of a two microperforated panel (MPP) with a air cavity in-between, and without any backing structure. It shows a Helmholtz-type resonance peak absorption and additional low frequency absorption, therefore it can be used as a wideband space sound absorber. In this study, a theoretical study is made to examine the effect of a permeable membrane inside the air-cavity. Permeable membranes are studied in our previous studies and proved to be effective to improve the sound absorption performance of various type MPP sound absorbers. We investigate the absorption characteristics of a DLMPP with a permeable membrane in the cavity through numerical examples, and also studied the effect of honeycomb in the cavity of the same sound absorption structure.     

Double-leaf microperforated panel space absorbers: A revised theory and detailed analysis

A double-leaf microperforated panel space absorber (DLMPP) is composed of two microperforated panels (MPPs) placed in parallel with an air-cavity in-between, without a back wall or any backing structure. This was proposed as a space sound absorber, which can be used for a sound absorbing screen or partition. A conventional MPP absorber with a rigid back wall is effective only around its resonance frequency, which is usually at middle frequencies, and not effective at low frequencies. However, a DLMPP can be effective also at low frequencies, because an additional sound absorption is produced by its acoustic flow resistance. In the authors’ previous work, theoretical analyses on the acoustic properties of a DLMPP were carried out using a simplified electro-acoustical equivalent circuit model. However, the equivalent circuit model includes an approximation, and more sophisticated theory is required for a better prediction and detailed discussion. In this paper, a revised theory for a DLMPP is presented: A Helmholtz integral formulation is employed to obtain a rigorous solution for more precise prediction of the absorptivity of a DLMPP. The result of the present revised theory is compared with that of the equivalent circuit model, and the difference between them is discussed. A parametric survey is made through numerical examples by the present revised theory to discuss its acoustic properties.