一种基于二维Helmholtz腔阵列的低频宽带隔声结构实验研究

基于圆周排列的Helmholtz共振腔单元,设计并实现了一种具有低频宽禁带的声人工结构,可以在结构中心处实现二维隔声效果.针对实际模型,搭建了二维声场测量平台,进行了相应的实验研究,实验结果与有限元仿真结果符合较好.该结构在较宽的频带内(680—1050 Hz)可以实现较好的隔声效果,最大隔声量可达41 d B.实验中还研究了单元参数及共振状态对隔声效果的影响.隔声区的大小与共振单元的分布形式有直接关系,而良好的共振状态将对提高隔声量有一定帮助.研究结果对设计新型声防护结构具有理论与应用价值.     

Helmholtz腔与弹性振子耦合结构带隙

为提高Helmholtz型声子晶体低频隔声性能,设计了一种Helmholtz腔与弹性振子的耦合结构,通过声压场及固体振型对其带隙产生机理进行了详细分析,建立了相应的弹簧-振子系统等效模型,并采用理论计算和有限元计算两种方法研究了各结构参数对其带隙的影响情况.研究表明,该结构可等效为双自由度系统振动,在低频范围内具有两个带隙;在6 cm的尺寸下,其第一带隙下限可低至24.5 Hz,而同尺寸无弹性振子结构只能达到42.1 Hz,带隙下限降低了40%,较传统Helmholtz结构具有更为优良的低频隔声特性.另外,在框体尺寸一定的情况下,降低结构间距、增大开口空气通道长度及振子质量、增大左侧腔体体积等方式,是增大带隙宽度、提高低频隔声效果的主要手段.     

含空气层与多孔材料的复合结构隔声特性研究

基于高速列车减振降噪需求,本文应用Biot提出的多孔弹性介质声传播理论,采用传递矩阵法理论推导了典型分层结构的隔声量计算公式,给出了空气层与多孔材料对分层复合结构隔声特性的影响。将传递矩阵与遗传算法相结合,对特定中低频段内的复合结构隔声特性进行了优化。研究结果表明:空气层和多孔材料有助于分层复合结构隔声量的提高,特别是空气层对低频隔声有很好的促进作用,另外空气层与多孔材料的分配情况也影响着隔声效果。含有空气层的复合结构在提高隔声量的同时降低了结构的总体重量,实现了高速列车隔声材料低能耗和轻量化的设计目标。     

新型Helmholtz型声子晶体的低频带隙及隔声特性

为了解决军用飞机舱室内产生的低频噪声问题,构建了一种新型的Helmholtz型二维声子晶体,该结构采用迷宫型开口通道,并在结构加入了刚性振子.研究发现,该结构在晶格常数为62 mm条件下,将第一低频带隙的下限降至15 Hz左右,且在100 Hz频率左右形成一条宽度为93 Hz的带隙宽带,表现出较好的低频隔声特性.首先,通过振型及声压场分析了其带隙成因,采用“力-声类比”的方法建立了该结构的等效模型,最后利用有限元法和传递矩阵法对第一低频的带隙范围进行了计算,两种方法所得结果基本相符;其次,通过有限元法探究了晶格常数、空气通道长度及振子材料等结构参数对低频带隙的影响.研究表明,增加开口通道长度和晶格常数都会降低第一带隙下限,增加振子材料密度能够有效降低第二带隙的上下限,进一步揭示了该结构带隙形成的实质,验证了等效模型的准确性.该研究为低频噪声控制方面提供了一定的理论支持,为低频声子晶体的设计提供了新的思路.     

二维含多孔介质周期复合结构声传播分析

为取得理想的隔声性能,本文结合多孔介质和周期结构两类声振调控方案,讨论了一种新型含多孔介质周期复合结构;采用等效模型描述振子系统,利用薄板理论和Biot理论建立了相应的声振耦合理论模型.利用此模型计算得出的结果与文献中数据吻合良好.研究结果表明,采用简单振子系统或组合振子系统都可以在其特征频率决定的频域提升复合结构的声传递损失(STL);然而,在越过相应频域后,STL会急剧下降,选取合适的振子参数,可以拓展隔声带宽而又保持其STL水平.对比振子系统结果发现,相对简单振子系统,组合振子系统能在获得更宽STL提升频域同时减弱特征频率域后的STL下降趋势.这些结果可以为宽频减振降噪提供思路,为中低频域隔声应用设计提供理论参考.     

嵌入式质量块对隔声门低频段隔声性能的影响

针对隔声门低频隔声性能差的问题，将嵌入式质量应用于隔声门中以提高隔声门在低频段的隔声性能，通过建立两个相邻混响室的有限元模型计算隔声门的隔声量。基于该模型，并结合隔声门低频隔声性能的评价方法，对在低频段影响隔声门有效隔声量的相关参数进行了参数关联性研究和优化，优化结果表明：对于92 mm厚，容重24 kg/m3的玻璃棉，使用灰铸铁作为质量块，并合理布置各个质量块的大小及其在玻璃棉中的相对位置可以有效提高隔声门在低频段的隔声性能；与普通隔声门相比，在低频段嵌入式质量隔声门的有效隔声量增加了5.0 dB。     

新型列车侧墙内装板声学分析、优化及应用*

为了开发与应用新型列车车体降噪内装结构,基于混合FE-SEA法对轨道车辆用新型橡胶泡棉夹芯板进行隔声与声辐射预测建模,并进行了试验验证,进而利用该模型分析了橡胶泡棉孔隙率与芯皮厚度比对其隔声性能、声辐射性能的影响规律,并通过敷设阻尼层优化了其声学性能。最后,在侧墙组合结构的声学设计中评价了其实际应用效果。结果表明：随着孔隙率的逐步下降,橡胶泡棉夹芯板隔声量上升趋势较为明显,而辐射声功率持续降低;随着芯皮厚度比的逐步提高,夹芯板隔声量呈略微上升趋势,辐射声功率则相应降低。在远离声源一侧的橡胶泡棉蒙皮外侧敷设阻尼层的效果最优,优化后夹芯板计权隔声量提高0.7dB,总声功率级降低0.7dB;相较于传统木质胶合板和铝蜂窝板,橡胶泡棉夹芯板相较于传统内装板材在结构隔声设计中具有轻量化优势。     

阻尼复合板的隔声性能研究

本文摘要阐述了隔声结构声损失的理论分析方法以及关于阻尼复合板隔声性能的国内外研究概况，并提出了该领域待进一步研究的几个问题。     

薄膜型声学超材料的结构设计与隔声特性*

为探讨薄膜型声学超材料用于汽车前围声学包、提高其中低频隔声能力的可行性,设计一种米字摆臂多质量块薄膜型声学超材料,构建其隔声分析有限元模型 ,分析其隔声特性及影响因素,开展结构优化及其在汽车前围声学包上的应用探索。研究表明,所设计的薄膜型声学超材料单胞在中低频区域具有较宽的隔声频带;增加薄膜上质量块半径或厚度会使传声损失曲线整体向低频区域移动,且质量块半径的增加还会拓宽高频区域的隔声频带;增加薄膜厚度或预应力会使传声损失曲线整体向高频区域移动;优化后的薄膜型声学超材料与钢板组合应用于汽车前围板,可明显提高其中低频隔声能力。     

基于驻极体材料的机械天线式低频/甚低频通信磁场传播模型

低频/甚低频电磁波的频率极低,趋肤深度较深,可以以很小的损耗穿透海水和地下来进行通信.传统的低频发射天线存在尺寸和功耗较大的问题,本文采用驻极体材料设计了一种机械天线式低频/甚低频发射天线结构.利用激励装置驱动驻极体所带极化电荷进行机械运动,从而产生交变的电磁场,并激发出电磁波携带能量和信息,在一定的媒质中传播,以实现电磁波的高效辐射,颠覆了传统低频/甚低频发信系统中天线尺寸需与辐射信号波长相比拟的约束.基于该结构,本文建立了磁场传播的解析模型,并据此研究了天线尺寸、形状等相关参数对天线性能的影响.给出了天线所产生场强随几何参数如半径、高度等的变化规律,同时对比了两种不同磁场模型仿真计算的结果,阐述了在实际情况中需要根据天线尺寸和传播距离等条件来选择适合的模型.研究工作对于指导机械天线设计和优化天线结构具有重要意义.     

Broadband low-frequency acoustic absorber based on metaporous composite

Broadband absorption of low-frequency sound waves via a deep subwavelength structure is of great and ongoing interest in research and engineering. Here, we numerically and experimentally present a design of a broadband low-frequency absorber based on an acoustic metaporous composite (AMC). The AMC absorber is constructed by embedding a single metamaterial resonator into a porous layer. The finite element simulations show that a high absorption (absorptance A>0.8) can be achieved within a broad frequency range (from 290 Hz to 1074 Hz), while the thickness of AMC is 1/13 of the corresponding wavelength at 290 Hz. The broadband and high-efficiency performances of the absorber are attributed to the coupling between the two resonant absorptions and the trapped mode. The numerical simulations and experimental results are obtained to be in good agreement with each other. Moreover, the high broadband absorption can be maintained under random incident acoustic waves. The proposed absorber provides potential applications in low-frequency noise reduction especially when limited space is demanded.     

利用含多孔介质微穿孔周期结构增强声吸收

为获得理想吸声性能,提出了一种由多孔材料,微穿孔板及空气层构成的周期复合结构,并利用微穿孔板理论和等效流体多孔材料模型,结合等效电路法进行了分析。结果表明,复合结构显著增强了微穿孔板结构的中低频吸声性能,但其高频性能较单独多孔材料差;采用合适填充比例并联布置多种多孔材料,可适当调节复合结构的吸声性能。此外,周期复合结构的堆叠层数N≥1时,相对单层复合结构,中低频吸声带宽提升至少40%(≥380 Hz);相对多层微穿孔板结构,增大N对相应中低频吸声带宽提升不低于30%(≥300 Hz)。总体上,文中周期复合结构可显著增强传统微穿孔结构的中低频性能,是一种简单高效的中低频宽频降噪方案。      

梯度穿缝型双孔隙率多孔材料的吸声性能

在传统单一孔隙率多孔材料中引入宏观尺度的周期性梯度穿缝结构设计,构造出梯度穿缝型双孔隙率多孔材料,其包含多孔材料基体微孔尺度与穿缝尺度两个尺度。采用分层等效的理论建模方法,将复杂梯度渐变问题变为多层均匀等效层叠加问题。针对不同特征尺寸的多孔材料薄层,分别采用低、高两种渗透率对比度双孔隙率理论,给出了其等效密度和动态压缩系数,再应用传递矩阵方法得到了相邻薄层之间的声压和质点速度传递关系并求得其表面声阻抗,从而建立了梯度穿缝型双孔隙率多孔材料的吸声理论模型。发展了多尺度材料声学有限元数值模型,在所考虑的100~3000 Hz频段范围内数值模拟结果完全吻合理论模型结果。理论与模拟分析了多尺度结构参数对双孔隙率多孔材料吸声性能的影响,结果表明引入多尺度梯度结构设计能够显著提高单一孔隙率多孔材料的吸声性能,且穿缝尺度比穿缝梯度影响更为显著;精细数值模拟获得的声压和能量密度分布云图揭示了多尺度结构设计的吸声增强机制。该工作可用于指导双孔隙率多孔材料的多尺度结构设计,从而提高多孔材料的中低频吸声性能。      

Sound absorption performance of gradiently slit-perforated double-porosity materials

A gradiently slit-perforated double-porosity material is proposed by introducing macro-scale periodic gradient slit-perforations into traditional porous materials with singleporosity.This material is one kind of multiscale material since it includes two scales of matrix micro-pore size and slit-perforation size.A theoretical model is developed for the sound absorption of the gradiently slit-perforated double-porosity material.In the model,the material is divided into lots of thin layers and each layer is approximated to be straight slit-perforated material.The equivalent density and dynamic compressibility of each thin layer are given by using the low or high permeability contrast double-porosity theory.Then the sound pressure and particle velocity relations between adjacent thin layers are obtained by employing the transfer matrix method.Finally,the surface acoustic impedance and the sound absorption of the gradiently slit-perforated porous material can be calculated.A finite element model is further established to validate the accuracy of the theoretical model.In the considered frequency range of 100-3000 Hz,the simulation results agree well with theoretical results.The influence of multiscale structural parameters on the sound absorption performance of the porous materials is analyzed theoretically and numerically.It is proved that the multiscale structure design can significantly improve the sound absorption performance of porous materials.Compared to the slit-perforation gradient,the slit-perforation width plays a more significant influence on sound absorption.The sound absorption enhancement mechanism of the multiscale structure design is revealed by the analysis of the sound pressure and energy dissipation distributions in the material.This work provides a multiscale structural design method for improving the sound absorption performance of traditional porous materials at broadband frequency.     

薄膜型声学超材料对低频振动的隔声特性分析*

高效共振混合机工作频率为60 Hz,且系统处于共振,产生较大低频噪声。针对振动机械产生的有害噪声,分析了高效共振混合机低频高加速度共振混合过程的特点,得到了60 Hz低频声波穿透力强特点,相比传统的以吸声材料构建的50~100 mm厚度、隔声效果小于10 dB的隔声罩,分析了薄膜型声学超材料在低频减振降噪中的隔声特性。通过多物理场仿真分析,60 Hz时隔声量为31.4 dB,确定了硅橡胶弹性薄膜的预应力和质量块的面密度;采用3D打印机快速成型技术,构建了隔声实验装置,分析了独立隔声单元、面密度、薄膜尺寸等隔声特性规律。基于人耳在实际环境中感受到的噪声强度,提出了噪声衰减量和插入损失的分析方法,在距离声源380 mm和1000 mm的位置,60 Hz时隔声量分别为27 dB和38 dB。研究成果丰富了低频隔声特性理论,为薄膜型声学超材料的工程设计和优化提供了技术支撑。     

主变压器噪声特性分析及复合隔声结构设计*

超高压变电站的主变压器的噪声影响已引起广泛关注。以某典型化设计的500kV变电站A的主变压器为例,进行了现场测试,得到其主变压器噪声能量主要集中在中低频范围内,且具备明显的线谱噪声特征。针对该噪声特点,提出了一种内插微穿孔板的双层带孔板型声学超材料的复合隔声结构。使用传递矩阵理论对该复合结构进行了分析,并在阻抗管中进行了实验验证。实验结果表明：该复合隔声结构具备针对性隔声要求,理论与实验传递损失曲线基本吻合。     

利用混合FE-SEA方法的前围隔声性能优化设计*

为了提升某重型商用车前围的隔声性能,建立了用于分析前围传递损失的有限元-统计能量分析(FE-SEA)模型。针对前围结构复杂的特点,依据FE-SEA模型建模原则,提出了通过在表面创建声腔来确保能量在模型中的正确传递路径。将仿真结果与测试值对比,二者误差小于1.6 dB(A),验证了FE-SEA方法的准确性。用吸声材料与隔声材料复合设计前围声学包,采用正交试验法对前围声学包进行优化设计并对各个试验方案进行仿真计算。对仿真结果进行极差分析与方差分析,选出了在传递损失、重量和厚度三方面达到最佳平衡的声学包:毛毡(10 mm)+EPDM隔声垫(2 mm)。结果表明,优化后的前围传递损失在测试频率315 Hz～2000 Hz范围内最小提升了3.8 dB(A),最大提升了7 dB(A),前围的隔声性能得到较大的提升。     

基于声学超材料的低频可调吸收器

在当今社会,噪声污染已经成为人类健康的一大威胁,如何有效地控制和消除噪声污染一直是科研领域的一个重要话题.本文以开口环嵌套结构为模型,设计并制备了一种声学超材料.通过理论分析、数值模拟和实验测试,发现由于模型内部空腔的强烈耦合共振效应,该超材料可以在低频区域实现接近完美的吸声效应.此外,通过简单地绕轴旋转其内腔开口方向,即可改变该超材料的相对阻抗值,进而在较宽的频带范围内实现对吸收峰位置的可调控制.由于该超材料具有深亚波长的尺寸,因此非常有利于低频吸声器件的小型化和集成化,同时该模型也为宽带吸收器的设计奠定了基础.     

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。