可控声阻抗声衬控制系统设计及实验研究

为了克服传统声衬在实际应用中的限制，介绍了一种可控声抗的声衬，并设计了一套控制系统实现了这种声衬声阻抗的有源控制，使这种声衬的吸声系数在任意声源频率范围内始终保持最优值或定值，从而满足一定的阻抗条件。这个工作对发动机吸声降噪有源控制及通过压气机机匣处理抑制颤振具有重要实际意义。     

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。     

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.     

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。      

声学超构表面

声学超构表面是当前声学领域的研究热点,其是一种由人工微单元构成的超薄平面结构,由于其具备平面、超薄等独特物理特性及对声波的灵活调控能力,使得其在降噪隔振、隐身技术、非接触操控物体等诸多声学领域具有重要的应用前景。文章以反射型、吸收型、透射型声学超构表面为框架,深入介绍超构表面高效调控声波的物理机制并举例展示了其构建复杂声场的能力,包括任意点反射聚焦、低频完美吸声、自弯曲声束、螺旋声波以及声能量非对称传输。     

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。     

阻抗管内非标准尺寸样品的正入射吸声系数测量

针对尺寸显著小于阻抗管横截面的非标准尺寸样品,提出了一种阻抗管内非标准尺寸样品的正入射吸声系数测量方法,分析了其参数对测量结果的影响,并与标准尺寸样品(与阻抗管横截面相同)比较。首先在其旁布置一种具有特定声阻抗的同厚度的声学材料(PAM),形成与阻抗管横截面相同的表面平整的非连续阻抗试件(IAIS),然后根据GB/T 18696.2—2002测得IAIS表面声阻抗,并基于声电类比法计算得到非标准尺寸样品的表面声阻抗及其正入射吸声系数。结果表明,非标准尺寸样品的面积率越大或声扩散边界长度越小,该方法精度越高;当非标准尺寸样品为多孔材料时,选择非刚性的、声阻抗与之接近的PAM也可提高测量精度;而非标准尺寸样品为共振吸声结构时,选择刚性PAM时,本文方法仍具有一定精度。     

一种以涡声理论为基础的声衬的实验研究与分析

本文对一种新型声村一通气声村的声学特性进行了实验研究。首先,根据实验装置的实际结构给出了通气声村反射系数的理论计算公式,并使用不同孔径和穿孔率的穿孔板考察了通气声衬的特性参数随频率和气流速度的变化规律,理论与实验符合得较好,其结果表明:适当地选择声衬的几何参数和气流速度可以使通气声衬在共振频率处的吸声系数达到或接近于1.0。其次,本文对共振式声衬和通气声衬的特性进行了比较,对于大孔径穿孔板,前者的吸收频带较窄,而通过合理选择通气速度,则可以设计出高吸声系数和宽频带的通气声衬。最后,本文还对相同几何参数的穿孔板进行了吹气和吸气的对比实验。     

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。      

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.     

微孔共振腔吸声机理的直接数值模拟研究

声衬是由大量的微孔共振腔按一定规则排列组成,由于微孔共振腔的小尺寸和流动的复杂性,采用实验和理论方法难以观测其内部及附近的复杂流动情况.本文采用计算气动声学方法对不同频率和声强声波入射下的二维微孔共振腔的吸声过程进行了直接数值模拟.结果表明: (1)腔口处粘性耗散和涡脱落现象是其吸声的书要形式;(2)在不同的频率和声强入射下,微孔共振腔的吸声过程表现出三种不同的模式,分别为无涡脱落、规则涡脱落和不规则涡脱落;(3)微孔共振腔的吸声性能在入射波为共振腔固有频率时最好.     

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。      

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。      

声学超构材料及其物理效应的研究进展

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,进一步拓展了材料的声学属性.同时,声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控,以及许多新颖奇特的物理现象,如声准直、声聚焦、声场隐身、声单向传输、声学超分辨成像等,具有重要的理论研究意义和应用价值.另外,拓扑材料的研究已延伸至声学领域,声学超构材料的拓扑性质成为近年的研究热点,受到人们的广泛关注.其鲁棒性边界态具有缺陷免疫、背散射抑制的特性,应用潜力巨大.本文综述了近十几年来声学超构材料的研究概况,介绍了相关的代表性工作,包括奇异等效声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等,阐述了声学超构材料的设计理念和方法,并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结.     

黏弹性材料的动态力学特性及其对覆盖层吸声性能的影响

本文利用标准化动态力学测量手段获得了某种高分子聚合物的动态杨氏模量,并根据时温等效原理对动态杨氏模量与声学测量在频段上的差异加以分析和转换,得到了500—7500 Hz频率范围内该黏弹性材料杨氏模量随频率变化的特性.基于所测得动态杨氏模量,采用有限元方法分析了均匀黏弹材料的吸声性能,并将仿真结果与样品声管实验数据进行对比,验证了测试所得参数的准确性.进一步仿真分析了含有局域共振结构的声学覆盖层吸声性能,并讨论了黏弹性材料的动态特性对其吸声性能的影响,提出了改进水声覆盖层低频宽带吸声特性的建议.     

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。     

薄纤维层对穿孔板的声学影响研究

为了提高附着薄纤维层穿孔板的声学预测精度,通过实验及理论分析方法研究薄纤维层对穿孔板的声学影响。采用声学阻抗管系统测试穿孔饰面板及背腔的吸声系数。测试结果显示,薄纤维层对吸声层的吸声性能具有明显的提高作用。以穿孔板声阻抗模型为基础构建附着薄纤维层的穿孔饰面板等效声阻抗模型,以附加修正参数等效薄纤维层的声学影响。依据吸声系数测试结果计算薄纤维层的等效声学修正参数,结果显示薄纤维层造成的附加阻性修正比较显著。     

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。     

声学超表面抑制Mack第2模态机理与优化设计

从理论上推导了声学超表面对平面声波的作用模型,该理论模型计及声波高阶衍射模态,从而能够计及超表面微结构之间的声学干扰.通过与数值结果对比,该模型预测的反射频率精度得到了一定程度的提高,并能够分辨出相邻孔声场之间的耦合模态.讨论了声学超表面吸声特性与阻抗特性对高超声速边界层内Mack第2模态的抑制机理,研究发现通过设计超表面阻抗特性,使得入射声波与反射声波在壁面处相位相反,同样可以抑制Mack第2模态.基于理论模型,分别优化设计得到最优的微结构几何尺寸,并通过对Mach 6平板边界层流动进行稳定性分析,验证了超表面不同声学特性的抑制效果.      

对低频声波的吸声体

本文考察了对20Hz—100Hz的低频声的有效吸声体。分析表明,电磁感应式表面吸声体是个可行的选择方案。单一表面吸声体的理想吸声系数极限为50％。若在此表面体的背后平行地放置一硬墙壁面就构成共振吸声系统。这样的系统可以在整个低频波段上吸收55％以上的声能,在其中的一些频率区域内还达90％以上。表面体的运动还可以用电子线路来控制从而使得该表面体的等效参数达到最佳值。用这种途径可以较容易地研制成对高强度低频声波的理想吸声系统。