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.     

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.     

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。     

钢结构装配式住宅墙板连接方式对隔声性能的影响*

为提升其隔声性能,通过有限元法数值分析,比较了不同位置墙板的连接方式对房间隔声性能的影响。结果表明：(1)侧墙墙板柔性连接处理对侧向传声的抑制作用显著,当侧墙墙板采用柔性连接后,房间的隔声量在低频段平均可以提升3 dB左右;(2)公共隔墙墙板的柔性连接对房间低频段隔声量提升不明显,甚至在160 Hz、400 Hz、500 Hz等频率下隔声量有所降低。最后,基于模拟分析结果对装配式墙体连接方式提出了改进策略。     

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。     

声学超材料对低频噪声的消声特性

针对低频噪声较难消除的问题,设计了亥姆霍兹共振腔与声学超材料薄膜耦合的消声结构,在利用有限元软件进行屈曲分析薄膜的临界状态得知声学超材料薄膜结构临界失稳力为0.087 N·m,利用COMSOL声固耦合模块研究薄膜形态对传递损失峰值频率的影响。结果表明:薄膜扭转角度由0°增加到30°时,薄膜总体刚度增加,传递损失峰值对应频率向右偏移了30 Hz,变化并不明显。为了扩大频率偏移范围,在扭转30°的基础上,对扭矩棒施加垂直向下的压力,压力由0 kPa增加到2 kPa,薄膜预应力增大,系统刚度增加,使得传递损失峰值向右偏移了170 Hz。最后搭建实验平台,验证了薄膜在扭转时的频率偏移与仿真基本吻合,在不同压力时频率偏移一致,进而可以实现较大范围的低频率噪声控制。为声学超材料的设计和控制提供有效的依据。     

联合扩散场激励与近场声全息重建的建筑构件隔声测量方法

提出了一种联合扩散场(DAF)激励与近场声全息(NAH)辐射声强重建的建筑构件空气声隔声测量方法。该方法首先通过DAF激励构件振动并获取入射声功率,然后利用NAH技术从辐射声压场中重建构件表面高空间分辨率的法向声强分布,最后根据声强分布来计算辐射声功率和定位辐射热区,从而实现构件隔声量和隔声缺陷测量。隔声室实验研究表明,在测试距离和采样间距均为0.04 m的条件下,该方法测量的隔声量与声压法的误差在100～5000 Hz频带小于3.3 dB,在250～3150 Hz频带小于1.3 dB,对圆孔(直径8 mm)和矩形缝(长80 mm、宽3 mm)的定位精度高达厘米级;同时,该方法在一定混响和背景噪声影响下的稳定性较强,接收室混响时间从1.0 s增至3.4 s (步长0.6 s)以及信噪比从10 dB降至0 dB (步长5 dB),隔声量测量误差分别在0.8 dB和0.3 dB以内,缺陷定位误差在0.037 m和0.035 m以内。所提方法有助于提高实验室中建筑构件隔声特性的测量能力,同时对接收室测试环境具有较强的鲁棒性。     

水下材料吸隔声性能测试近场长脉冲传递函数法

为消除有限空间壁面反射对大样水下材料声学性能测试的影响,利用传递函数法和脉冲法测试原理,建立声波垂直入射情况下水下材料吸隔声性能测试近场长脉冲传递函数法,10mm均匀钢板模型声学性能试验表明,压力环境下钢板反射及隔声性能测试值与理论值基本一致,反射系数测试偏差小于0.1,隔声量测试偏差小于1dB,可以采用近场长脉冲传递函数法测量声波垂直入射情况下材料声学性能,可有效克服边界反射对测试的影响。     

暗声学超材料研究

由于普通材料的固有耗散在低频区域的微弱性,长久以来,低频声波的衰减一直都是一个颇具挑战性的任务.为了能够在100—1000Hz范围内完全吸收某些频率的低频声波,文章作者设计了一种薄膜型的暗声学超材料样品:它是由在弹性薄膜上镶嵌有一些非对称性的硬质金属片而制成.实验表明,该样品在低频区域几乎能够百分之百地吸收声波,而在共振吸收频率处,空气中的声波波长要比薄膜的厚度大3个数量级以上.当共振发生时,硬质金属片的"拍动"导致很大的弹性曲率能量聚集在金属片的边界附近.由于薄膜的拍动模式与声波的辐射模式仅存在微弱的耦合作用,而弹性薄膜的整体能量密度又比入射声波的能量密度大2—3个数量级,该样品本质上是一个开放的共振腔,这也是它能够高效地吸收低频声波的原因所在.     

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。     

船用三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟

针对船用PN10DN32三通调节阀噪声声压频谱、声指向性等声学特性规律不明确,噪声声压级是否满足使用要求的问题,基于流-固耦合理论,同时考虑流-固耦合面及流体域内的脉动声学激励源,开展阀门噪声数值模拟研究。分别对三通调节阀在80%及60%开度阀外1 m处的噪声进行数值模拟,分析研究噪声声压频谱特性及声指向性规律。结果表明：80%及60%开度下的噪声声压级分别为49.14 dB(A)、50.79 dB(A),均小于60 d B(A)的噪声限制,满足使用要求。该文为船用三通调节阀噪声数值模拟提供了理论及方法参考。     

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。     

Experimental study for control of sound transmission through double glazed window using optimally tuned Helmholtz resonators

This paper presents an experimental investigation of passively control of sound transmission through a double glazed window by using arrangement of Helmholtz resonators (HRs), which are commonly used for narrow band control application. The laboratory experiments were performed placing the window between reverberation chamber and anechoic chamber. The window was subject to diffuse field, approximate normal wave and oblique wave acoustic excitations. Three sets of HRs were designed and installed in cavity of window. The sound control performances at far-field were measured. The control performances from varying the number of HRs, incident acoustic field, excitation sources (band-limited white noise and traffic noise examples) are presented and discussed in detail. It is shown that a considerable reduction of the transmitted sound pressure levels has been achieved around the mass–air–mass resonance frequency (50–120 Hz). The obtained reductions in the transmitted sound pressure illustrate the potentials of HRs for improving the sound insulation characteristics of double glazed window. The experimental results also indicate that only tuning the HRs to the mass–air–mass resonance frequency does not guarantee the best possible insulation of the sound transmission.     

Acoustic insulation capacity of Vertical Greenery Systems for buildings

Vertical Greenery Systems (VGS) are promising contemporary Green Infrastructure which contribute to the provision of several ecosystem services both at building and urban scales. Among others, the building acoustic insulation and the urban noise reduction could be considered. Traditionally vegetation has been used to acoustically insulate urban areas, especially from the traffic noise. Now, with the introduction of vegetation in buildings, through the VGS, it is necessary to provide experimental data on its operation as acoustic insulation tool in the built environment. In this study the acoustic insulation capacity of two VGS was conducted through in situ measurements according to the UNE-EN ISO 140-5 standard. From the results, it was observed that a thin layer of vegetation (20–30 cm) was able to provide an increase in the sound insulation of 1 dB for traffic noise (in both cases, Green Wall and Green Facade), and an insulation increase between 2 dB (Green Wall) and 3 dB (Green Facade) for a pink noise. In addition to the vegetation contribution to sound insulation, the influence of other factors such as the mass factor (thickness, density and composition of the substrate layer) and type of modular unit of cultivation, the impenetrability (sealing joints between modules) and structural insulation (support structure) must be taken into account for further studies.     

基于深度学习的低频宽带隔声器件设计*

在实际应用中，通常需要将多个声人工结构单元进行组合来实现低频宽带的隔声降噪。这种组合结构往往参数较多，传统的设计方法很难对其进行高效的自动化设计。本文在集总参数模型的基础上，提出了一种基于深度学习的低频宽带隔声器件设计方法，并基于该方法完成了由9个二阶亥姆霍兹共鸣器单元组合而成的低频宽带隔声装置的设计。仿真结果表明，该隔声装置在158 Hz~522 Hz范围内均具有良好的隔声效果，从而验证了所提出方法的有效性。与传统方法相比，本文所提出的设计方法不仅减少了对设计者专业知识和设计经验的依赖，而且具有更高的设计效率，更强的通用性，未来有望进一步推广至其他声人工结构的设计领域。     

Active control of the volume acquisition noise in functional magnetic resonance imaging: method and psychoacoustical evaluation.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides a noninvasive tool for observing correlates of neural activity in the brain while a subject listens to sound. However, intense acoustic noise is generated in the process of capturing MR images. This noise stimulates the auditory nervous system, limiting the dynamic range available for displaying stimulus-driven activity. The noise is potentially damaging to hearing and is distracting for the subject. In an active noise control (ANC) system, a reference sample of a noise is processed to form a sound which adds destructively with the noise at the listener's ear. We describe an implementation of ANC in the electromagnetically hostile and physically compact MRI scanning environment. First, a prototype system was evaluated psychoacoustically in the laboratory, using the electrical drive to a noise-generating loudspeaker as the reference. This system produced 10-20 dB of subjective noise-reduction between 250 Hz and 1 kHz, and smaller amounts at higher frequencies. The system was modified to operate in a real MR scanner where the reference was obtained by recording the acoustic scanner noise. Objective reduction by 30-40 dB of the most intense component in scanner noises was realized between 500 Hz and 3500 Hz, and subjective reduction of 12 dB and 5 dB in tests at frequencies of 600 Hz and at 1.9 kHz, respectively. Although the benefit of ANC is limited by transmission paths to the cochlea other than air-conduction routes from the auditory meatus, ANC achieves worthwhile attenuation even in the frequency range of maximum bone conduction (1.5-2 kHz). ANC should, therefore, be generally useful during auditory fMRI.     

燃料电池有轨电车声学优化*

基于线路噪声实验,系统测试分析了燃料电池有轨电车的噪声特性,研究了噪声分布以及空气传声、结构传声路径对噪声的贡献。结果表明改善车辆地板、空调、顶板和风挡的隔声性能,尤其是在500～1250 Hz的1/3倍频带范围内的隔声性能将有助于改善车辆内部声学环境。优化燃料电池系统控制,降低冷却单元转速将有助于改善车辆外部声学环境。在此基础上提出减震降噪建议措施,再次进行线路噪声实验,结果表明该措施有效。     

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。