大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究

针对低频声波的衰减问题，设计了一种大尺寸月牙盘非对称薄膜型声学超材料结构，利用有限元法计算了其传输损失和位移场。其结构尺寸可达100 mm,隔声频率降低至10 Hz,并在10～500 Hz的低频范围内展现出良好的隔声性能。与对称型薄膜声学超材料结构的隔声频带和隔声量相比，通过在单胞中引入不对称性，使得结构的低频隔声频带拓宽了23 Hz。通过模态分析发现，不对称性使薄膜声学超材料产生更多的振动耦合模式，Lorentz共振与Fano共振的同时存在提升了月牙盘型非对称结构的隔声性能。同时，薄膜和质量块的尺寸与偏心量等参数变化可进一步优化隔声效果，为声屏障低频隔声效果的提升在结构优化设计方面提供了一种解决思路。     

隔声超构材料的研究进展

声学超构材料的概念起源于局域共振型声子晶体。作为一种新型复合人工结构材料,声学超构材料具备许多优异的特性,如相对于传统隔声材料可以灵活、精准地操控声波,采用小型化、轻质化的结构解决宽频带、低频隔声等问题。本文综述了声学超构材料在隔声方面的最新研究进展,从带隙理论和表征参数出发论述了声学超构材料隔声机理,重点介绍了相关代表性工作,包括Helmholtz式隔声超构材料、薄膜薄板式隔声超构材料、折叠卷曲空间式隔声超构材料以及组合式隔声超构材料的设计理念和方法,最后对这一新兴领域的应用进行了展望。     

非均匀局域共振型声子晶体隔声特性研究

建立局域共振声子晶体单元结构模型,通过有限元方法研究了阵列排布、填充率排列及散射体厚度排列对非均匀声子晶体隔声特性的影响,以期使各类非均匀声子晶体结构在不同频段发挥隔声效果及减少隔声频段内的局部衰减.结果表明,散射体靠近入射方向的阵列排布具有较大的隔声量;填充率由中间列向两端递增的形式下局部衰减情况较少;散射体厚度由中间列向两边减小的排布适合中高频隔声,由中间列向两边增大的排布适合低频隔声;分别由铝振子、钢振子、铅振子构成的声子晶体在低频段具有相似的隔声特性,中高频处的隔声频段随着振子密度的增加向低频段移动.此结果为非均匀声子晶体获得良好降噪效果提供了理论支持.     

超胞声子晶体板的轻量化设计与研究

由于局域共振型声子晶体板具有优秀的低频声学特性,相关的研究越来越丰富,但多为实验室环境下的研究,对其工程应用方面的轻量化研究存在不足。因此,本文以变电站低频噪声为应用背景,提出一种局域共振型声子晶体板轻量化设计方法。基于此方法,设计出一种针对变电站噪声频谱特性的轻量化超胞声子晶体板。研究发现,此声子晶体板在50 Hz和100 Hz同时具有明显的声传输损失峰,隔声量分别为67 dB和48 dB,并通过振型位移及声压级复合声强流线图对其隔声机理进行了分析研究。本研究对今后声子晶体板的工程应用和变电站噪声控制都具有指导意义。     

含谐振单元和弹性支承谐振单元的声子晶体低频禁带特性研究

在结构中周期性地添加谐振单元可以构造局域共振声子晶体并产生低频禁带。本文提出了一种具有谐振单元和弹性支承谐振单元的声子晶体结构,通过声子晶体理论和振动理论对该结构的禁带特性和禁带调控特性进行了计算与分析。结果表明,该结构可在0 Hz处形成禁带;禁带内对振动的衰减强度由衰减因子和有限结构周期数共同决定;结构中存在1条可调控禁带和3条不可调禁带;可调控禁带可以通过改变谐振单元和弹性支承谐振单元的结构参数加以调控;不可调禁带包括第一禁带,它们能够较为稳定地对一定频率的弹性波产生衰减作用。该结构所具有的禁带特性在管路、桥梁和汽车减振领域具有潜在应用。     

BaTiO3包覆羰基铁吸波剂的制备及其吸波性能研究

为了进一步改善羰基铁低频吸波性能,本文采用溶胶凝胶法和高能球磨法制备了BaTiO3表面改性羰基铁的复合吸波剂,并通过X射线衍射仪、SEM、EDS和矢量网络分析仪等手段对复合吸波剂的微观形貌,结构组成和吸波性能进行了分析和研究.结果表明:随球磨时间的增加,BaTiO3与羰基铁的结合形式由混合变为表面吸附,介电常数显著增大,磁导率略微增加,低频段阻抗匹配性能及电磁波衰减能力得到提升.当球磨时间为2h复合吸波剂在3.2 GHz处反射率达到-15.5 dB.通过BaTiO3对羰基铁表面改性能够调节介电常数并显著提升材料的低频吸波性能.     

一种腔室可调的Helmholtz型声子晶体的带隙研究

本文针对低频噪声的控制问题，设计了一种腔体结构可调的Helmholtz型声子晶体，该结构内腔由一活动伸缩螺杆连接的隔板分为上下两腔，并采用弓字形开口通道设计。采用有限元法对该结构的带隙特性与隔声特性进行了分析，并通过“声力类比”的方法构建了该结构在带隙起始频率与截止频率处的等效模型。研究表明，该结构在500 Hz以下频段内具有6条带隙，最低带隙频率可达31.34 Hz,且在每条带隙频段内都表现出了良好的隔声性能，最大隔声量可达111.95 dB。最后，通过调整伸缩螺杆，改变腔体结构布局，可将多条共振带隙相连，不仅可以构成一个较宽的带隙，而且可以达到调节隔声频段的目的。该设计为改善Helmholtz型声子晶体的隔声性能提供了新的设计思路。     

基于Helmholtz共振腔的组合结构带隙特性研究

Helmholtz共振结构的声屏障在控制道路交通噪声方面具有潜在的应用前景。为有效提高特定频段的噪声控制,本文设计了一种主腔连接4个副腔的Helmholtz复合共振腔结构。首先,利用有限元法对共振腔模型进行计算分析,得出共振腔的禁带结构和声传播损耗曲线;其次,利用声-电类比法建立了Helmholtz共振腔的等效电路,并对带隙的产生机理进行分析;最后,讨论了结构参数对Helmholtz共振腔带隙的影响,并分析这些参数对第一带隙下限的影响机理。结果表明:声波在Helmholtz共振腔单元间同时存在相互作用和腔内谐振效应,能在晶格常数为60 mm的情况下获得范围为432.43~663.98 Hz的第一带隙,比单、双开口圆环带隙起始频率更低,且大部分频率范围的隔声量达到10 dB以上,最大隔声量超过90 dB,表现出良好的中频隔声特性;等效电路模型与有限元法的计算值的最大误差不超过10%且平均误差低于5%,建立的等效模型是合理的;结构参数对于带隙有较大影响,主要是通过影响共振腔内部气体的体积从而影响带隙。     

仿生声学超材料的声波控制及水下应用研究进展

声学超构材料作为一种新型的人工结构材料,拥有天然材料所不具备的超常物理特性,比如:负质量、负刚度等。声学超材料通过对其声学特性参数的研究和控制可以实现声隐身、波束控制等功能。与传统声学材料相比,声学超材料具有设计性强、拓展性强等优点,可以突破传统声学材料的物理极限,为小尺寸、轻量化结构解决低频减震降噪、低频宽带声波控制等瓶颈问题提供新思路。仿生学是利用生物学原理发展起来的新兴学科。将仿生学与声学超材料相结合,国内外学者开展了大量的研究工作,尤其在空气动力学及流体动力学降噪方面取得了卓越的研究成果。本文简要回顾过去几十年仿生声学超材料的研究进展,并介绍了相关的代表性工作,期望未来仿生声学超材料能够在低频声波控制、水下应用等方面发挥更大的作用和优势。     

开口圆环类声子晶体传播禁带特性研究

为衰减中低频振动噪声,本文设计了一种非严格对称的开口圆环类声子晶体结构,基于有限元法和弹性波理论分析了其禁带特性和各方向的振动衰减性能;结合系统的振动模态解释了带隙打开和关闭的原因,并分析了几何参数对带隙宽度的影响规律。结果表明:由于晶体的非严格对称,仅ΓX方向的传输损耗和禁带特性吻合,且衰减性能优于MΓ方向,禁带内平均衰减27.8 dB,同比提升了5.5 dB。禁带内几乎没有产生位移变形量,而通带因无法抑制弹性波传播导致变形量显著增大;芯体的水平和旋转运动是带隙起始、截止的明显标志。以钨为芯体,能获得起始频率和带宽均为500 Hz的低频带隙,增大芯体的材料密度、填充率和晶格尺寸有助于获得较低频率的完整带隙。     

双迷宫型通道Helmholtz周期结构的低频带隙机理及隔声特性

为了解决飞机舱室中的低频噪声问题,本文设计了一种双迷宫型通道的Helmholtz周期结构。迷宫型开口通道的设计能够大大增加Helmholtz腔开口通道的长度,有效降低低频带隙下限,双通道的设计能够增加声子晶体局域共振的区域,可以增加低频带隙数目。本文采用有限元法(FEM)得到了该结构在0~500 Hz频率范围内的能带结构及隔声特性,经过深入研究发现,该Helmholtz 周期结构在0~500 Hz范围内存在多个低频带隙,且在低频范围内表现出较好的隔声特性。为了揭示其带隙产生机理,本文通过声-电类比方法建立了该结构的等效电路模型,并通过有限元法和等效电路模型,对低频带隙影响因素进行了详细分析。结果表明,增加开口通道的长度能够降低带隙起始频率,较小的晶格常数有利于拓宽带隙宽度。本文的研究进一步探索了声子晶体结构设计对带隙的影响,为解决飞机舱室的低频降噪问题提供了新方法。     

地铁吸声材料的吸声性能和流阻测定

制备了以陶粒为骨料的多孔状地铁吸声材料.研究不同的陶粒粒径及级配,水灰比,水泥掺量以及掺和料对材料吸声性能和流阻的影响.结果显示:提高小陶粒的掺量,减小水灰比,减少水泥用量以及掺入一定的掺和料(膨胀珍珠岩,硅灰)对提高材料的吸声性能是有利的.材料的流阻不是越大越好,获得最佳吸声性能和强度的材料时,有一个最佳流阻值,为1,475 Pa·S/m3.该样品的组成为25;水泥(质量分数,下同),75;大尺寸(2.4～4.8 mm)陶粒,外加4.2 g减水剂,水灰质量比为0.3,外掺膨胀珍珠岩占骨料的5;,硅灰占水泥的12;.     

海泡石显微结构对涂层材料隔热性能影响

将天然海泡石多孔矿物材料进行适当粒度的球磨加工,制成隔热涂料.本文从海泡石的粒径、分散程度及显微结构对涂料隔热性能影响的角度出发用SEM、TEM对海泡石显微结构进行表征.结果表明:以适当球磨工艺制备的海泡石微粉为隔热添加剂的隔热涂料,与以一般加工方法制备的海泡石矿粉为隔热添加剂的隔热涂料相比,隔热效果可提高5℃.通过SEM、TEM分析,球磨后海泡石显微结构发生了改变,由纤维的簇状结构变成由大量单个纤维组成的团聚体.经超声波分散后,海泡石纤维的团聚态被打破,涂料的隔热效果可再提高2℃.涂层隔热效果不仅仅与海泡石纤维颗粒粒径有关,还与海泡石纤维分散程度及显微结构有关.     

商洛钼尾矿制备泡沫陶瓷的研究

以商洛钼尾矿为主要原料,添加钾长石、高岭土等辅助原料,以SiC为发泡剂,制备高钼尾矿含量的轻质保温隔热泡沫陶瓷.采用正交实验确定影响泡沫陶瓷体积密度四个因素的主次程度依次为:SiC添加量、升温速率、保温时间和烧成温度.最终以8 ℃/min的升温速度升至800 ℃,再以1 ℃ /min升至1140 ℃,保温20 min,随炉冷却制得体积密度0.34 g/cm3,抗压强度3.2 MPa,平均孔径1.8 mm,气孔分布均匀的高性能轻质保温隔热泡沫陶瓷材料.     

抛光砖废料制备吸音材料

本文以微孔吸声结构原理为主要设计依据,以抛光砖废料制备的陶粒、澎胀水泥、粉煤灰以及造孔剂、防水剂等为主要原料,采用混凝土成型法成型,研究开发一种无有害成分的环保型吸声材料.通过试验分析了材料中胶凝材料和发泡剂的用量、厚度以及表面形态、背后空腔对材料吸声性能的影响.     

热障涂层用稀土锆酸盐陶瓷材料研究进展

稀土锆酸盐热障涂层材料因具有低热导率,良好的高温相稳定性和隔氧性能等优点而被认为是最具有潜力的新型高温热障涂层材料体系之一.本文主要针对其作为新一代热障涂层在隔热与承载方面的性能需求,分析了热物理性能与力学性能的研究进展,并展望今后稀土锆酸盐的研制方向.     

BaSO4-CaCO3-CaF2基高发射率建筑保温隔热涂料的制备研究

以自制BaSO4-CaCO3-CaF2为功能填料,水性丙烯酸乳液为成膜物质,钛白粉和滑石粉为体质颜料,辅以多种功能助剂,按一定配比混合经搅拌和球磨制得高发射率建筑保温隔热涂料.采用XRD、FT-IR及光谱发射率等手段分析表征了功能填料的结构和红外功能特性,研究了钛白粉添加量、功能填料添加量及搅拌时间分别对涂料太阳光反射比、隔热温差及稳定性的影响,优化了涂料最佳配比.结果表明:功能填料在7～20μm波段内平均发射率为0.89;钛白粉和功能填料添加量分别为16;和30;,搅拌时间为23 h时,涂层隔热温差可达18.4℃,涂料红外光谱发射率最高可达0.93,在7～20 μm波段内平均发射率为0.90,涂层具有良好的保温隔热效果.     

陶瓷纤维/莫来石晶须原位增强堇青石-莫来石轻质隔热材料

以蓝晶石、粘土、氧化镁粉为原料,以淀粉为造孔剂和固化剂,引入适量的硅酸铝陶瓷纤维或多晶莫来石纤维和AlF3,通过莫来石晶须在陶瓷纤维表面的原位形成,制备了具有陶瓷纤维/莫来石晶须互锁结构的堇青石-莫来石轻质隔热材料.研究了陶瓷纤维在AlF3的作用下对材料显微结构观察、常温力学性能和导热系数的影响.研究表明:在AlF3的作用下,莫来石晶须在硅酸铝纤维表面垂直生长,部分穿插在发育良好的堇青石晶粒中;这种具有陶瓷纤维/莫来石晶须互锁结构的的陶瓷材料,其力学性能得以提高并降低了材料的导热系数.