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。     

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低频声波穿透力强的特点,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。     

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。      

一种具有动态磁负刚度薄膜声学超材料的低频隔声特性

为提升薄膜/板状结构的低频隔声特性,本文提出一种具有动态磁负刚度的新型准零刚度薄膜声学超材料.首先,应用等效磁荷理论推导了动态磁负刚度;然后,基于伽辽金法建立了有限尺寸下薄膜/板结构的隔声理论模型.通过理论分析、数值仿真及实验测试相结合的方法,从结构模态、振动模式、平均速度、相位曲线、等效质量密度和等效弹簧-质量动力学模型等多个角度对其低频(1—1000 Hz)隔声机理开展了研究.结果表明:在初始薄膜张力一定时,减小磁间隙或增大剩余磁通密度均可增大动态磁负刚度,进而减小隔声峰值频率,增加隔声带宽,实现了较宽频段下的有效低频隔声;进一步,当磁间隙大于第二临界磁间隙小于第一临界磁间隙时,结构的一阶模态共振消失,对应隔声谷值大幅提升,显示出超宽频段的隔声效果.这种利用动态磁负刚度改善模态共振导致的低频隔声谷值的方法对薄膜/板型低频隔声超材料的设计具有重要的理论指导价值.     

薄膜超构表面声扩散体扩散性能研究*

针对传统的声扩散体结构复杂、加工不便的缺点,该文提出了一种薄膜型声学超材料扩散体,通过有限元软件建立了扩散体的有限元模型。分析了薄膜张力、质量块大小及背腔深度对声波相位调控的影响,并与传统施罗德扩散体的扩散性能进行比较,发现调控后的薄膜超构表面声扩散体对声能的吸收降低,并使入射声能更均匀地向全方向扩散。在相同的尺寸情况下,与传统施罗德扩散体相比,薄膜超构表面声扩散体在所需频段内扩散性能更优,结构更优,体积更小,质量更轻,加工更方便,更适用于工程应用。     

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。     

空间盘绕型声学超材料的亚波长拓扑谷自旋态

声子晶体的Dirac线性色散关系,使其具有奇特的声拓扑特性,在声波控制领域具有良好的应用前景.目前,声子晶体的拓扑边缘态主要基于Bragg散射所产生的能带结构,难以实现低频声波的受拓扑保护单向边缘传输.本文引入空间盘绕结构,设计了具有C_(3v)对称性的空间盘绕型声学超材料,并研究其布里渊区高对称点(K/K'点)的亚波长Dirac锥形线性色散.接着,通过旋转打破空间盘绕型声学超材料的镜像对称性,使其Dirac简并锥裂开而产生亚波长拓扑相变和亚波长拓扑谷自旋态.最后,采用拓扑相位互逆的声学超材料构造拓扑界面,实现声拓扑谷自旋传输.空间盘绕型声学超材料的亚波长Dirac线性色散与亚波长拓扑谷自旋态突破了声子拓扑绝缘体的几何尺寸限制,为声拓扑稳健传输在低频段的应用提供理论基础.     

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。     

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。     

基于(u,p)方程含多孔材料有源声学结构的声学性能研究

为准确分析含多孔材料有源声学结构的声学性能,利用一种结合(u,p)方程和有限元技术的计算方法对有源声学结构建模,分析声波在多孔材料中传播规律,并进行了实验验证.基于固相位移和流相声压的(u,p)方程对多孔材料固、流两相间强烈耦合进行分析,建立了多孔材料的有限元模型,并对含有多孔材料双层板有源声学结构的声学性能进行了测量...     

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.     

水声材料横波声速和衰减系数参量源法测量系统

提出了测量10-100 kHz频段水声材料平均横波声速和衰减系数的测量系统,系统具有低频、小尺寸、窄波束的特点。测量装置应用截断参量源作为声源,结合了精密的坐标系统。在对平板声压透射系数的平面波模型进行理论修正和实验研究的基础上,测量平板样品的透射系数(插入损失)的频谱和角谱,并采用曲线拟合方法来估计样品在测量频段的平均横波声速和衰减系数。在2 m×1 m×1.5 m消声水槽中,对一些典型样品(尺寸500 mm×600 mm)进行了测量实验,结果表明,水声材料样品在声波不同入射角时的声学性能有较大差异,不能用声波垂直入射时的声学性能数据代替;横波声速和衰减系数是评定水声材料声学性能的重要参数,尤其在声波斜入射情况下;在研究材料构件或复杂器件的声学性能时它们也是必不可少和不能不考虑的。实验还验证了测量方法和系统的可行性,也表明仅在这一频段的测量还远不能满足水声工程的实际需求, 有必要将测量方法应用扩展到更低或更高的频段。     

基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体

该文提出了一种基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体。利用附加质量块的薄膜和空气腔组成的薄膜结构构建了反射声波相位差接近180°的两种共振单元。将两种共振单元按照一定的顺序进行排列,可以组成深亚波长尺寸下的声学超表面。所构建的声学超表面可以产生宽频有效的散射声场。通过有限元仿真软件对多个频率的近场散射声场分布、远场声指向性和扩散系数进行了仿真计算,仿真结果显示,该散射体可以高效地散射入射声波,并且散射效果在一定的频率范围内是宽频有效的。     

基于NbN,AlN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性,随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究,而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能. 我们以单晶MgO作为器件衬底,MgO/NbN多层结构作为AlN薄膜体声波器件的反射器,NbN/AlN/NbN三层结构为谐振器.在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小,可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AlN薄膜.通过控制AlN薄膜和NbN薄膜的不同厚度,可以获得不同频段范围的谐振器. 压电薄膜的质量,以及体声波在多层结构界面上的能量损耗,直接影响到谐振器电学性能.基于AlN材料的压电性能,设计了NbN/AlN/NbN三层结构的谐振器,并进行了数值模拟.     

低温球型共鸣腔声场分析与共振频率偏移计算

共振频率的偏移是利用声学温度计测量气相声速、进而精确测定热力学温度最主要的不确定度来源之一.为提高测温精度,基于声学微扰理论,分析了入射声波传感器激励作用下低温球型共鸣腔声场的组成,推导了因腔体做弹性振动造成的共振频率偏移表达式.研究了(0,1)到(0,6)的径向共振模态下,腔体半径与共振频率偏移量的关系曲线,结果显示在50～120mm内径范围内的腔体,共振频率偏移量随内径的增大,呈先减后增再减的趋势.根据计算结果,拟合了激励声波与共振频率偏移量的关系曲线,拟合结果与文献值吻合度较高,证实了计算方法的可行性.     

声子晶体和声学超构材料

声子晶体和声学超构材料进一步拓展了自然界中声学材料的弹性波性质．这种人工的复合结构材料,由于其周期结构的布拉格散射和局域共振特性,使得其具有奇异的色散特征,在某些频段具有负的有效弹性参数,带来了许多新颖的声学传播效应,例如声子带隙效应、负折射效应、超棱镜效应、超透镜效应、异常透射效应、异常隔声效应等．与此同时,在声子晶体和声学超构材料表面,一类具有亚波长特性的声表面倏逝波也引起了人们的关注,研究其激发、传播、耦合的过程对揭示声子晶体和声学超构材料的奇异声传播效应的物理本质具有重要意义．声子晶体和声学超构材料作为一类新型的人工声学结构材料,在隔声、防振、热控制以及新型声学器件研发等方面具有巨大的应用前景．文章综述了近十几年来国际国内关于声子晶体和声学超构材料的研究进展,并对其未来的研究发展方向做一评述．     

各向异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数

五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构,具有类似流体的性质,在声波调控中有着潜在的应用.声学变换作为声波调控的一种重要手段,在超材料声学器件的设计中被广泛使用.声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料.因此,需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响.本文利用有限元方法,对各项异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数进行了研究.研究结果表明,三维非对称双锥五模超材料单模区域的相对带宽随着各向异性的增大而减小,第一带隙的相对带宽增大到123%,品质因数增大到6.9倍.本研究可为声学变换在三维非对称双锥五模超材料中的应用提供指导.     

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。     

可用于隔声和带隙调控的五模式超材料

为了利用在声学领域极具应用前景的双锥型五模式超材料进行隔声降噪,提出一种双锥宽直径不全同型五模式超材料.利用有限元方法分析了其声子能带结构、各波模相速度、品质因数随结构与材料参数的变化关系,在实用性和稳定性上与窄直径不同型五模式超材料作了比较.宽直径不全同型五模式超材料在保持原始五模式结构单模传输能带的前提下,还产生了更低频、宽带的三维完全带隙,且结构更稳定,重量更轻。双锥型五模式超材料在特定宽直径不同时具有三维完全带隙,品质因数主要由结构参数决定,各材料参数只是不同程度地影响带隙的绝对宽度和位置.研究结果表明双锥宽直径不全同型五模式超材料有望用于带隙调控和隔声。      

膨胀腔类超材料的传递损失

声学超材料及结构已被广泛研究,其超结构通常利用3D打印技术实现,当结构刚度较小或者面积较大时,由声固耦合所导致的声学效果与设计不符的情况广泛存在。该文针对含有膨胀腔类的超材料,研究了声固耦合对其声学性能的影响,采用有限元计算结合阻抗管实验的方法,得到其传递损失,分析了声固耦合现象对传递损失的影响。结果表明:薄壁膨胀腔结构的作用频率范围与只考虑声学理论计算的设计不符,声固耦合现象对传递损失产生显著影响;采用增加膨胀腔壁厚、减少膨胀腔内径或选择金属材料的方式,都可以使得声固耦合现象对传递损失的影响减小;仿真结果与实验结果基本吻合。对于膨胀腔类超材料,当刚度较小或者面积较大时,对其进行声固耦合分析是完全必要的。