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。     

水下隔声结构设计及评价方法

为使用混响法快捷地测量水下结构物的辐射噪声,需基于港口或海岸建造海上混响水池。针对内外都是水情况下的海上混响水池壁面隔声问题,设计了一种带梁空气夹层板水下隔声结构,通过仿真比较了不同参数的空气夹层板的隔声性能。为评价声波无规入射情况下水下大尺寸隔声结构隔声性能,提出了一种混响评价方法,通过隔声实验比较了混响法与脉冲法的不同。结果表明：带梁空气夹层板的水下隔声性能优异,声波无规入射情况下,面板厚度0.015 m、空气层厚度0.020 m的带梁空气夹层板在2～10 kHz频段插入损失大于20 dB;混响法可以有效评价大尺寸水下隔声结构的平均隔声性能,其反映的声波无规入射的平均隔声性能更接近于实际应用情况。     

局域共振单元与薄膜复合声子晶体板结构的低频降噪

提出了一种局域共振单元复合声子晶体板结构,并结合有限元对晶体板结构的带隙特性、隔声性能进行了分析.结果表明,共振带隙的产生是由共振单元与板中传播的弹性波相互耦合造成的,耦合强度直接影响共振频率和带隙宽度,隔声效果与薄膜的厚度直接相关.通过改变薄膜的厚度可以将隔声效果调节到满足机舱飞行员正常驾驶的要求.该结构在200dB以下具有良好的隔振效果,最大隔声量达到150dB.该研究为获得良好的隔声效果提供了理论支持,在航空发动机减振降噪方面具有潜在的应用前景.     

弹性联接对钢龙骨轻板隔墙隔声量的影响

现有估计双层轻板隔墙隔声量的方法是从刚性声桥出发的,它对钢龙骨隔墙并不适用。后者由于龙骨本身具有侧向弹性作用而使中高频的隔声量有所提高。本文提出了估计钢龙骨轻板隔墙隔声量的表达式,并与实验结果符合良好。本文还对龙骨两侧附加弹性阻尼垫条对隔声改善作用进行了讨论。对这样一种构造较为复杂的隔墙现在也能用一组简单表达式来确切地预计其隔声量。     

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。     

点声源入射下无限大平板的隔声

利用球面波的平面波展开形式,推导了自由场中点声源入射下无限大平板的隔声公式,研究了其隔声性能.数值模拟结果表明,点声源入射下平板隔声规律不同于通常采用的平面波入射条件下的质量隔声定律.在频率较低或板厚度较薄时,频率或板面密度增加一倍,平板隔声量的增加约为3 dB,而插入损失的增加约为6 dB.     

双层加筋结构有源隔声物理机制研究

深入分析双层加筋结构有源隔声的物理机制有助于控制系统的优化设计。用模态叠加法和声振耦合理论对双层加筋有源隔声结构建模。在辐射加筋板声功率最小的控制条件下,从模态耦合的角度对有源隔声的物理本质进行了详细阐述。分析结果表明,由于双层加筋板中筋的耦合作用影响,系统的声能量传输规律及有源隔声机理与现有的模态分析结论相比均发生改变。结合筋的耦合影响,对空腔声场的模态抑制与重构机理进行修正和补充,清晰解释了双层加筋结构有源隔声的物理本质。      

双层加筋结构有源隔声物理机制研究

深入分析双层加筋结构有源隔声的物理机制有助于控制系统的优化设计。用模态叠加法和声振耦合理论对双层加筋有源隔声结构建模。在辐射加筋板声功率最小的控制条件下,从模态耦合的角度对有源隔声的物理本质进行了详细阐述。分析结果表明,由于双层加筋板中筋的耦合作用影响,系统的声能量传输规律及有源隔声机理与现有的模态分析结论相比均发生改变。结合筋的耦合影响,对空腔声场的模态抑制与重构机理进行修正和补充,清晰解释了双层加筋结构有源隔声的物理本质。     

多孔弹性介质三层夹心板的隔声性能研究

应用Biot关于流体饱和多孔弹性介质的声传播理论,采用传递矩阵的分析方法,就复合多孔弹性材料夹心三层板在不同结构情况下的隔声性能进行了理论研究和实验分析,并与同等条件下双层夹心板的隔声性能进行了比较。数值计算和实验结果均表明,与双层夹心板相比,三层夹心板在中高频段隔声性能有明显优势,但低频段隔声性能有一定程度上的下降。研究还表明不同结构的复合三层夹心板在隔声效果上也各有特色。     

轻质金属三明治板的隔声性能研究

基于金属三明治板的周期特性,建立了其夹芯层等效弹簧和扭簧组合模型.利用所建立的模型和空间谐波展开法,首先研究了中间为空气腔的双层板的隔声性能,理论结果与实验结果取得较好的一致,验证了模型的合理性;并进一步研究了中间层为瓦楞加筋三明治板的隔声性能.结果表明,声波入射角以及瓦楞加筋板与平板的夹角对其隔声性能影响显著,适当改变瓦楞加筋板与平板的夹角可以有效避开结构的隔声低谷;三明治板对垂直入射声波的隔声效果最好.     

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。     

The influence of finite cavities on the sound insulation of double-plate structures

Lightweight walls are often designed as frameworks of studs with plates on each side--a double-plate structure. The studs constitute boundaries for the cavities, thereby both affecting the sound transmission directly by short-circuiting the plates, and indirectly by disturbing the sound field between the plates. The paper presents a deterministic prediction model for airborne sound insulation including both effects of the studs. A spatial transform technique is used, taking advantage of the periodicity. The acoustic field inside the cavities is expanded by means of cosine-series. The transmission coefficient (angle-dependent and diffuse) and transmission loss are studied. Numerical examples are presented and comparisons with measurement are performed. The result indicates that a reasonably good agreement between theory and measurement can be achieved.     

Regression curves for vibration transmission across junctions of heavyweight walls and floors based on finite element methods and wave theory

Sound insulation prediction models in European and International Standards use the vibration reduction index to calculate flanking transmission across junctions of walls and floors. These standards contain empirical relationships between the ratio of mass per unit areas for the walls/floors that form the junction and a frequency-independent vibration reduction index. However, calculations using wave theory show that there is a stronger relationship between the ratio of characteristic moment impedances and the transmission loss from which the vibration reduction index can subsequently be calculated. In addition, the assumption of frequency-independent vibration reduction indices has been shown to be incorrect due to in-plane wave generation at the junction. Therefore numerical experiments with FEM, SFEM and wave theory have been used to develop new regression curves between these variables for the low-, mid- and high-frequency ranges. The junctions considered were L-, T- and X-junctions formed from heavyweight walls and floors. These new relationships have been implemented in the prediction models and they tend to improve the agreement between the measured and predicted airborne and impact sound insulation.     

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.     

Propagation of acoustic waves in a fluid-filled pipe with periodic elastic Helmholtz resonators

Helmholtz resonators are widely used to reduce noise in a fluid-filled pipe system. It is a challenge to obtain lowfrequency and broadband attenuation with a small sized cavity. In this paper, the propagation of acoustic waves in a fluid-filled pipe system with periodic elastic Helmholtz resonators is studied theoretically. The resonance frequency and sound transmission loss of one unit are analyzed to validate the correctness of simplified acoustic impedance. The band structure of infinite periodic cells and sound transmission loss of finite periodic cells are calculated by the transfer matrix method and finite element software. The effects of several parameters on band gap and sound transmission loss are probed.Further, the negative bulk modulus of periodic cells with elastic Helmholtz resonators is analyzed. Numerical results show that the acoustic propagation properties in the periodic pipe, such as low frequency, broadband sound transmission, can be improved.     

含三聚氰胺多孔材料分层复合介质吸声特性*

三聚氰胺泡沫材料是一种具有高开孔率的多孔材料,具备优良的吸音、防火隔热及环保性能,可以作为吸声材料与弹性板、空腔介质形成复合结构,在建筑、航空、交通工具等工程领域有广泛的应用。该文基于Biot理论和分层介质在交界面处的不同边界条件,建立非均匀复合介质背衬刚性壁面结构的理论声学模型,详细分析了多孔材料布局对复合结构吸声特性的影响。该文理论模型计算的结果与阻抗实验得到的垂直入射吸声系数基本一致,验证了理论模型的正确性。结果表明:在多孔材料前面增加空气层可以改善高频吸声特性;在多孔材料后面增加空气层可以改善复合结构低频吸声特性。通过合理配置多孔材料,可以在应用需求频段上达到满意的吸声效果。     

四边简支含多孔材料双层板隔声特性

有限大含多孔材料和空气层复合板结构隔声特性的研究尚不充分。该文旨在研究四边简支边界条件下复合板结构隔声特性。首先基于流体饱和多孔弹性介质的声传播理论计算了声波在多孔介质中的传播波数；继而采用四边简支边界条件下板结构的模态函数，利用模态叠加法和伽辽金法推导了复合板结构隔声系数理论模型，并数值求解复合板隔声量。将理论模型得到的四边简支复合板隔声量与实验结果对比，验证了理论模型的正确性。最后，详细讨论了边界条件、板结构尺寸和多孔材料厚度等主要参数对隔声特性的影响。结果表明：四边简支复合结构隔声特性曲线上“谷值”出现得较少，并且简支复合板隔声特性的第一个“吻合频率”比固支支撑复合板更靠近低频，当频率超过3000 Hz以后，简支和固支边界条件复合板结构隔声特性趋于一致。     

Sound transmission across orthotropic laminates with a 3D model

This investigation examines the propagation of elastic waves in orthotropic materials to explain the sound insulation of FRP (Fiber Reinforced Plastics). The mechanical characteristics of an orthotropic material generally require nine independent parameters: three Young’s moduli, three shear moduli and three Poisson’s ratios. Three-dimensional analysis is performed with the elastic wave equations of an orthotropic material. The transfer matrix method which expresses the relationship between stress and velocity is adopted to calculate the sound transmission loss across an orthotropic material. Further, the transfer matrix method can only be calculated under the continuous boundary condition in the interface of each FRP layer. The boundary conditions which are indicated above are velocity and stress. The numerical results are compared with the experimental results. Additionally, along with varying material properties such as Young’s modulus, the acoustical properties of the orthotropic material are explained and discussed later.     

经典局域共振型水声超材料的吸隔声性能研究*

基于水声超材料吸声机理和多层平行介质平面波理论,建立局域共振型水声超材料结构,通过COMSOL进行建模计算,研究该结构的吸声性能机理,此外为了验证钢背衬的隔声性能,在该水声超材料结构基础上添加一层0.005m厚的钢背衬进行仿真对比。研究结果表明,在频段为200Hz-4000Hz时,水声超材料声学性能较好,吸声性能整体较优,且添加钢背衬的水声超材料隔声性能较优,甚至在某频率点达到15dB的隔声差值;此外通过位移场图进一步揭示水声超材料的吸声机理,发现水声超材料结构的位移场和钢背衬都对吸声性能会产生影响,钢背衬通过影响共振吸收来影响吸声性能,而位移场则通过位移幅度大小影响吸声性能。