多层多孔吸声材料结构参数优化设计*

高开孔率的发泡材料(如三聚氰胺、聚氨酯发泡材料)具有优良的吸声、隔热防火、防腐及环保性能,可以作为吸声、阻尼等材料应用于建筑、航空、交通工具等领域。该文基于Biot理论和多层介质声波传播理论(传递矩阵法),建立多层多孔吸声结构背衬刚性壁的理论模型,利用遗传算法优化多层结构厚度和质量。将理论模型计算结果与阻抗管测试结果进行对比,验证了理论模型的准确性。结果表明:优化后的多层多孔吸声结构在整体厚度降低18 mm的基础上,吸声能力并未降低,且部分结构低频吸声增强,结构的整体重量也有所降低,达到轻薄化的目标,具有较大的应用价值。     

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。     

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。     

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。      

释压法混合吸声系统中多孔材料厚度优化研究

研究释压法主被动混合吸声结构吸声性能与多孔吸声材料参数的关系,利用释压法对材料厚度敏感的特性,选择合适的多孔材料厚度提高系统的低频吸声性能。提出一种释压法主被动混合双层吸声结构,将误差传声器置入两层吸声结构之间的空气层中,分别优化各层的厚度,在较宽频带内获得较好吸声。对流阻系数为15000NSm^-4的一类典型的玻璃棉数值仿真,发现选择优化厚度分别为2.8 cm和6 cm,中间空腔长为2 cm,可使有效吸声频带向下大幅扩展。实验结果验证了所提宽带吸声结构。     

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。      

微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声行为

民用及国防工业领域对工程材料结构提出了更高的应用需求.单一材料结构越来越难以满足实际应用需求,通过人工复合结构实现超常单一及多物理性能的超材料设计已经成为材料结构应用的重要发展方向.本文基于传统的蜂窝夹层结构,在其内部引入波纹结构,并在面板和波纹上分别进行微穿孔形成微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料,在其优异力学承载基础上,实现了低频段的宽频有效吸声降噪.应用微穿孔板吸声理论和声阻抗串并联理论,建立了微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料的吸声理论模型;发展了考虑黏热效应的声传播有限元模型,通过数值模拟验证了理论模型的准确性,并数值计算了声波在超材料微结构内的黏热能量耗散分布,发现超材料能量耗散主要集中于微穿孔处的黏性边界层;进一步开展了超材料吸声参数和尺度设计参数的分析讨论,阐明了不同尺度设计参数对超材料吸声性能的影响规律.本文工作对兼具力学承载与吸声降噪的新型材料结构设计有重要的理论指导价值.     

金属多孔材料吸声板的优化模型

金属纤维多孔材料与一般纤维材料相比具有较高比强度的优点,其声学性质已引起人们的注意。本文试图从直通孔介质的吸声模型拓展到一般的刚性多孔介质,讨论金属多孔吸声板在液体介质中吸声的主要无量纲控制参数,从而建立一个基本的吸声优化模型。计算表明,通过适当选取参数,可以比较清楚地了解在特定频率范围内和不超过特定厚度的条件下吸声结构是否可以达到特定的吸声指标,也由此提供一个利用无量纲参数设计水下低频薄层吸声结构的模型。     

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。      

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.     

钢板-空气背衬上含空腔粘弹性材料层的声反射特性

本文研究声波从水中入射到粘弹性材料层-钢板-空气上的反射特性，运用分层介质中的波动理论研究粘弹性层均匀情况的声特性，运用有限元方法研究粘弹性层含空气腔结构情况的声特性。结果表明，改变粘弹性材料消声特性需要综合调整材料的弹性参数；粘弹性层内的空腔结构对声特性产生很大影响，改变其谐振特性和反射系数的收敛特性。文中以含圆锥腔、圆台等复合腔的结构粘弹性层为例，计算了其反射系数的频响特性、谐振模态，并分析了结构的影响。     

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.     

Controlling sound absorption by an upstream resistive layer

Resistive screens, or perforated plates, are widely used upstream of porous materials. They can be used either for protection or decoration, or for acoustic properties enhancement. This study points out the role that a resistive layer can have upstream on a porous material. Based on numerical simulations, this work gives the guidelines for rational use of high resistive layers in order to maximize the normal sound absorption of porous multilayers. Two major results emerge: (i) the upstream resistive layer can control the sound absorption of the porous multilayer, while nullifying the acoustic properties of downstream layer and (ii) this upstream layer may be detrimental to sound absorption of porous multilayer. Experimental validation on a porous multilayer, controlled by a woven textile, supports these findings. The sound absorption of material with poor sound absorption performance can be enhanced with a conveniently designed resistive layer.     

吸声材料对水下小平台上矢量传感器声学特性的影响研究

本文围绕粘贴黏弹性吸声材料方法对水下小平台上安装矢量传感器的指向性和测向的影响展开理论分析和实验研究.首先建立了吸声材料和平台结构组成的复合层结构的数学模型,对声波经过复合层结构的声学特性进行了分析,在此基础上利用有限元耦合边界元法对粘贴吸声材料前后的水下小平台上的矢量传感器的声学特性进行研究.通过理论计算和数值分析研究了吸声材料对矢量传感器的各通道的指向性的影响,并计算了覆盖吸声材料前后矢量传感器的测向精度.水池实验验证了分析结果的正确性.     

Numerical investigation of active porous composites with enhanced acoustic absorption

The paper presents numerical analysis - involving an advanced multiphysics modeling - of the concept of active porous composite sound absorbers. Such absorbers should be made up of a layer or layers of poroelastic material (porous foams) with embedded elastic inclusions having active (piezoelectric) elements. The purpose of such active composite material is to significantly absorb the energy of acoustic waves in a wide frequency range, particularly, at lower frequencies. At the same time the total thickness of composite should be very moderate. The active parts of composites are used to adapt the absorbing properties of porous layers to different noise conditions by affecting the so-called solid-borne wave - originating mainly from the vibrations of elastic skeleton of porous medium - to counteract the fluid-borne wave - resulting mainly from the vibrations of air in the pores; both waves are strongly coupled, especially, at lower frequencies. In fact, since the traction between the air and the solid frame of porous medium is the main absorption mechanism, the elastic skeleton is actively vibrated in order to adapt and improve the dissipative interaction of the skeleton and air in the pores. Passive and active performance of such absorbers is analyzed to test the feasibility of this approach.     

分层吸声结构的声学设计与性能分析

本文给出了声波在多层介质中的传播方程，通过数值计算，分析了各层参数对分层吸声结构声学性能的影响规律。用参数匹配方法，对多层吸声结构各层材料的参数进行设计。结果表明，通过合理分布各层材料，多层吸声结构可以在较宽频段上达到满意的吸声性能。