一种含圆柱形谐振散射体的黏弹材料低频吸声机理研究

利用层多重散射法分析了一种含圆柱形谐振散射体黏弹 材料吸声层在钢背衬条件下的低频吸声特性. 该吸声层由包覆软材料的圆柱空腔周期嵌入橡胶材料中构成, 其中, 散射体轴线与吸声层平行. 结果表明, 20 mm厚吸声层在1000–3000 Hz具有良好的吸声性能. 通过综合分析单个散射体的吸收截面、单层周期散射体的声吸收、 结构内部位移场以及耗散功率密度分布, 揭示了该吸声层的低频吸声机理. 关键词： 水声吸声 吸收截面 耗散功率密度     

一种含柱形空腔结构橡胶层的吸声机理及优化

采用有限元法,分析了含单层柱形空腔橡胶层(厚度20 mm)的吸声性能,表明其吸声峰频率比相同尺寸的球形空腔低,这与单个柱形和球形空腔的单极共振频率相对应,通过谐波散射分析证实了空腔单极共振引起的能量耗散增强了声波的吸收。采用能量耗散功率及位移场分布,对柱形空腔结构的吸声机理进行了深入分析.其次,在钢背衬条件下分析了横波损耗因子对橡胶层吸声特性的影响,并采用遗传算法对含不同尺寸柱形空腔橡胶层在1.5—10 kHz频段上的吸声特性进行了优化,获得了较好的宽频吸声效果.     

水下吸声覆盖层声管测试的背衬研究

在吸声覆盖层水声声管测试的实验研究中，覆盖层背衬的选择对测量结果有重大影响。在我们二维理论研究的基础上，建立了吸声覆盖层声学特性的传递函数模型，分析比较了不同背衬对吸声覆盖层声学性能的影响。结果表明，不同背衬对吸声覆盖层吸声性能的影响具有明显不同的特性。背衬为双层壳体时，水层对吸声覆盖层的吸声系数曲线有明显的调制现象。背衬为单层壳体或双层壳体时，从整体上讲，吸声系数更趋近于刚性背衬而非软背衬的情况。在实验室小样品声管测试中，以较厚的钢柱作为背衬的测试数据来衡量吸声覆盖层性能更为合适，且易于实现。     

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。      

黏弹性吸声材料复弹性模量优化研究

针对黏弹性材料吸声效率问题,利用分层介质声传播理论和数值算法优化了不同物理条件下材料的复弹性模量。采用参数等效的方法分析了含气泡黏弹性材料的声学特性,并给出了此种材料优化后的弹性模量曲线。根据物理模型计算了一定边界条件下材料复弹性模量等吸声系数曲线,得到了几种背衬条件下黏弹性材料吸声系数大于0.8的弹性模量和损耗因子范围。研究表明调节黏弹性材料的复弹性模量可以有效提高材料的吸声性能,吸声系数大于0.8时其弹性模量和损耗因子范围在不同背衬条件下差异较大,发现一定厚度的钢背衬会降低调控复弹性模量的难度,对含气泡黏弹性材料的计算也可得到类似结果。      

多重散射方法研究轴对称空腔覆盖层的声学特性

发展了一种多重散射方法研究声学覆盖层的半数值半解析模型,分析了影响轴对称空腔结构声学性能的主要能量耗散机制。在球坐标条件下推导出轴对称空腔结构的位移和应力场基函数,通过对空腔表面基函数的数值积分,得到散射波和入射波之间的传输矩阵方程,结合分层介质声传播理论计算了周期性空腔结构覆盖层的反射、透射和吸声性能。研究结果表明;空腔共振是低频能量耗散的主要形式,边界条件对材料空腔结构的谐振特性影响很大,利用双空腔耦合共振可以拓宽材料的低频吸声频带;背衬对材料的高频吸声影响较小,材料的高频能量损耗取决于空腔的散射和波型转换特性。      

高声压级时多孔金属板的吸声特性研究

针对高声压级下有限厚度多孔金属板在线性阻抗背衬条件下(背衬表面声压与声质点速度为线性关系)的吸声问题,提出了一个描述不同声压级下材料层法向吸声性能的一维模型,并给出求解材料层内部声质点速度的线化与差分方法,以预测多孔金属板在高声压级下的非线性吸声特性。在阻抗管中对两块多孔金属板进行了声学测试,得到了材料层法向表面阻抗和吸声系数随入射声压级变化的实验结果。研究表明:实验与理论预测符合良好,验证了模型与数值方法的正确性。本文所提原理和方法,可用于一般硬质多孔材料。      

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。     

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。     

基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究

针对低频噪声的隔离问题,设计了一种基于压电材料的可调控薄膜声学超材料,该材料由压电质量块嵌入弹性薄膜制成.建立了材料的有限元分析模型,并且计算了材料的各阶特征频率与20—1200 Hz频段的传输损失曲线,并通过实验验证了有限元计算的真实性.计算结果表明:此声学超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好,存在两个50 dB以上的隔声峰与一个可调式的隔声峰.通过分析简单结构的首阶共振模态并构建其等效模型,从理论上探究了结构参数对薄膜声学超材料隔声性能的影响,并通过有限元计算验证了其等效模型的正确性;综合分析材料的特征频率与传输损失曲线,进一步讨论了结构的隔声机理,分析结果表明,在特征频率处,薄膜的"拍动"会导致声波在其后的传播过程中干涉相消,实现声波的衰减;通过Fano共振理论,探究了各共振点处传输损失曲线特征不同的原因;压电质量块与外接电路组成LC振荡电路,在电路的共振频率处,压电材料的振动可以吸收声波的能量从而造成一个隔声峰,同时可以改变外接电路的参数来调整电路的共振频率,从而实现对隔声性能的调控.最后,探究了压电质量块偏心量对材料性能的影响,并通过有限元计算验证了材料隔声性能的可调性.研究结果为可调式薄膜声学超材料的设计提供了理论参考.     

Optimization of locally resonant acoustic metamaterials on underwater sound absorption characteristics

The study of acoustic metamaterials, also known as locally resonant sonic materials, has recently focused on the topic of underwater sound absorption. The high absorption occurs only within a narrow frequency band around the locally resonant frequency. Nevertheless, this problem can be addressed through a combination of several acoustic metamaterial layers that have different resonant frequencies. In this paper, an optimization scheme, a genetic and a general nonlinear constrained algorithm, is utilized to enhance the low-frequency underwater sound absorption of an acoustic metamaterial slab with several layers. Both the physical and structural parameters of the acoustic metamaterial slab are optimized to enlarge the absorption band. In addition, the sound absorption mechanism of the acoustic metamaterial slab is also analyzed. The result shows that each layer is found to oscillate as a nearly independent unit at its corresponding resonant frequency. The theoretical and experimental results both demonstrate that the optimized metamaterial slab can achieve a broadband (800–2500 Hz) absorption of underwater sound, which is a helpful guidance on the design of anechoic coatings.     

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。     

Wide bandwidth acoustic transmission via coiled-up metamaterial with impedance matching layers

Many acoustic metamaterials suffer from a narrow bandwidth transmission because of the impedance mismatch at the airmetamaterial interface. In this paper, a two-dimensional impedance-matched metamaterial with broadband transmission performance is investigated. The impedance matching layer is introduced for a gradient variation of effective impedance from the inlet of the unit to the outlet. The effective medium theory and corresponding effective model are used to explain the underlying mechanism. The improved energy transmission of our designs is demonstrated by experiment and numerical simulation within a broad frequency bandwidth over 6 kHz. Our impedance-matched design can be used to enhance sound absorption, which is expected to present improved acoustic performance in the applications of acoustic damper and muffler.     

Analysis of absorption performances of anechoic layers with steel plate backing

Rubber layers with air-filled cavities or local resonance scatters can be used as anechoic coatings. A lot of researches have focused on the absorption mechanism of the anechoic coatings. As the anechoic coatings are bonded to the hull of submarine, the vibration of the hull should not be neglected when the analysis of the absorption characters is carried out. Therefore, it is more reasonable to treat the anechoic coating and the backing as a whole when the acoustic performance is analyzed. Considering the effects of the steel plate backing, the sound absorption performances on different models of anechoic coatings are investigated in this paper. The Finite Element Method is used to illustrate the vibrational behaviors of the anechoic coatings under the steel backings by which the displacement contours is obtained for analysis. The theoretical results show that an absorption peak is induced by the resonance of the steel slab and rubber layer. At the frequency of this absorption peak, the steel plate and the coating vibrates longitudinally like a mass-spring system in which the steel slab serves for mass and the coating layer is the spring. To illuminate the effects of the steel slab backing on the acoustic absorption, the thicknesses of the steel slab and the anechoic layer are discussed. Finally, an experiment is performed and the results show a good agreement with the theoretical analysis.     

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。     

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。     

双层弹性支撑板的水下宽带隔声

为实现水下宽带隔声,提出了一种由弹性元件支撑两块刚性端板构成的双层弹性支撑板结构。采用弹簧振子振动分析法和声传播理论,建立了平面波入射的水下隔声理论模型,分析了结构参数对隔声量的影响规律,结果表明足够小的弹性元件单位面积弹性系数或足够大的端板单位面积质量都可以连续一致地提高隔声量.仿真分析了双层弹性支撑板的振动位移和声输入阻抗,比较了双层弹性支撑板与连续介质层的隔声特性,结果表明,降低弹性元件质量,有助于在低频段消除半波全透射现象.在同厚度、同质量、同静态压缩率条件下,双层弹性支撑板能更好的降低两侧流体的振动及声耦合,隔声频带更宽,带内一致性更好,隔声量更大.      

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．