吸声覆盖层研究进展

从粘弹性材料复杂结构吸声性能计算和粘弹性材料动态力学参数获取两方面对吸声覆盖层研究进行了回顾。计算模型主要有分层介质模型、等效介质模型、空腔谐振模型以及数值计算方法。动态力学参数获取主要有基于振动的直接测量方法、基于声学性能测试的反演方法和近些年发展起来的有限元的反演方法。最后对吸声覆盖层研究的发展趋势进行了展望。     

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。     

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。     

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.     

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。     

基于等效参数反演的敷设声学覆盖层的水下圆柱壳体声散射研究

应用了一种等效方法计算敷设声学覆盖层无限长圆柱壳体水下声散射特性.等效方法的核心是忽略复杂声学覆盖层内部的声学结构,将其作为具有等效材料参数的均匀阻尼层进行建模,该均匀阻尼层具有和原覆盖层相同的复反射系数.进而,应用COMSOL Multiphysics软件建立敷设均匀阻尼层圆柱壳体的有限元模型并求解其声散射特性.等效方法的关键是等效材料参数的获取.采用充水阻抗管实验和有限元数值实验两种方法获取声学覆盖层贴敷在与壳体具有相同厚度、相同材料背衬条件下的复反射系数,在此基础上,基于遗传算法反演材料的等效参数.研究表明,等效参数具有频变特性,且尽管等效杨氏模量和等效泊松比在频率范围内存在较大波动,但是等效前后复反射系数仍保持一致.为了验证等效方法求解壳体声散射特性的准确性,同时建立了敷设声学覆盖层壳体的完整有限元模型,将覆盖层内部声学结构进行精细建模,并求其声散射特性.结果表明,两种方法求得的形态函数符合得较好,在整个频率范围内平均误差大约为1 d B.     

含玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能分析

水下吸声覆盖层对潜艇的隐身具有重要的意义, 因此得到了广泛的关注. 本文对含有玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能进行了理论分析. 采用等效参数法计算了玻璃微球的体积含量对复合材料的力学和声学性能的影响. 应用声波在多层介质中传播的一维模型, 计算了不同玻璃微球体积含量的单层复合材料覆盖层的吸声性能.结果表明, 增加玻璃微球的体积含量可以提高覆盖层的低频吸声性能, 但是其高频吸声性能降低.采用遗传算法对玻璃微球在覆盖层厚度方向上的体积含量分布进行优化. 优化的多层结构可以在一定的频带内改善覆盖层的表面与水的声阻抗匹配, 在保证覆盖层的高频吸声系数大于某一限值(0.7)的前提下, 提高其低频吸声性能.另外, 多层优化结构覆盖层不含宏观的空腔结构, 不影响覆盖层的耐压性能.其结构简单, 对制备工艺的要求不高.因此, 本文形成的理论方法适用于水下吸声覆盖层的设计. 关键词： 水下吸声 黏弹性复合材料 玻璃微球 遗传算法     

声学覆盖层吸声系数的多通道逆滤波测量

提出了一种利用最小二乘求逆计算的声学覆盖层吸声系数多通道逆滤波测量方法.该方法通过估计电路信道及水声信道的信道响应,利用最小二乘实现多通道逆滤波算法,通过多路逆信号的同步发射在声学覆盖层处实现高分辨率主瓣、低旁瓣和时域窄脉宽的入射波聚焦,从而提高声学覆盖层低频吸声系数的测量精度。仿真验证了该方法在混响抑制和空时聚焦中的效果.在压力水罐中进行了频率为0.8~5 kHz条件下的钢板试样反射系数和透射系数的测量实验,通过与理论计算值对比,验证了该测量方法的有效性。论文提出的方法适用于非自由场环境下声学覆盖层吸声系数的测量,尤其适用于低频条件下吸声系数的测量。     

高分子梯度溶液吸声机理的研究

制备了高分子均匀溶液和梯度溶液,并在声管中测试其声衰减性能.实验结果表明,高分子梯度溶液的声衰减效果明显优于(即大于)相应的均匀溶液的声衰减.根据连续分层介质中声波传播理论建立了计算高分子梯度溶液声衰减的数学模型.计算结果与实验结果一致.由实验和理论分析结果得出了高分子梯度溶液的梯度吸声机理,即多次反射、多次吸收,最终将声能转化为热能.     

Experimental study on sound absorption performance of microperforated panel with membrane cell

Microperforated panel (MPP) absorbers have been widely used in noise reduction and are regarded as a promising alternative to the traditional porous materials. However, the absorption bandwidth of a single-layer MPP is insufficient to compete with the porous materials. In order to improve the sound absorption ability of the single-layer MPP, a composite MPP sound absorber with membrane cells (MPPM) is introduced. Sound absorption properties of the MPPM are studied by the impedance tube experiment. Results show that the membranes have a significant influence on the sound impedance. The sound absorption performance of MPPM gradually increases with the increase of the membrane area. The single-layer MPP with some small area membrane cells may have the same effect and single large area membranes. By adjusting the size of the membrane cells, one can implement a sound absorber with a wider absorption bandwidth and higher absorption peaks than the single-layer MPP.     

微穿孔介电弹性体薄膜的吸声性能试验分析*

针对普通薄膜型降噪结构的吸声性能较差和吸声带宽较窄的问题,本文设计了一种微穿孔的介电弹性体薄膜吸声结构。该结构由穿孔的介电弹性体薄膜与背腔组合而成,目的是拓宽介电弹性体薄膜低频率段的吸声带宽。针对微穿孔的介电弹性体薄膜吸声结构,从试验角度分析穿孔薄膜初始厚度、穿孔孔径及穿孔间距对结构吸声性能的影响。分析结果可知：通过适当增加薄膜的初始厚度,薄膜的整体吸声性能得到有效提升,最大可将319Hz吸声频带的吸声系数从0.2提升至0.7;减小薄膜的穿孔孔径能够有效拓宽穿孔薄膜的吸声频带,可使吸声系数0.4以上的吸声带宽由304Hz拓宽至432Hz;适当控制穿孔间距能够达到更好的吸声效果。     

内嵌不同形状散射子的局域共振型黏弹性覆盖层低频吸声性能研究

最近研究表明,将声子晶体中的局域共振现象引入到水下吸声材料的设计中,可以观察到由局域共振引起的低频声吸收现象.为了进一步揭示局域共振低频吸声机理并获得更优的水下低频声吸收性能,研究了内嵌不同形状散射子的黏弹性声学覆盖层.利用晶格和散射子在空间排布的对称性,传统有限元方法得到简化,从而节约了计算时间和存储空间,并通过将简化有限元法计算得到的结果与传统有限元法计算的结果进行对比,验证了简化有限元方法的正确性.结合位移云纹图,考察了特定频率点上振动模态与相应的局域共振吸声峰之间的关系,揭示了内嵌圆柱形散射子的黏弹性覆盖层的吸声机理.进一步讨论了相同体积下不同形状的圆柱形散射子对黏弹性覆盖层吸声性能的影响,给出了提升覆盖层低频吸声性能的优化思路.通过讨论不同芯体材质对内嵌圆柱形散射子的黏弹性覆盖层吸声性能的影响,找到了改变第一共振峰位置的方法,从而可以通过调整第一共振峰来实现特定频率范围内的宽带吸声.     

�۱�ѵ�һ������W/Cu �ݶȲ��ϵ��ȹ������Ż�

针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了8MW.m?2稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW.m?2热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。     

聚变堆第一壁连续W/Cu 梯度材料的热工性能优化

针对不同体积分布指数p的W/Cu连续功能梯度材料的偏滤器第一壁结构,采用有限元软件计算了 8MW•m⁻²稳态运行热加载以及等离子体破裂条件下1GW•m⁻²热流冲击下的力学响应。相同稳态加载条件下,W/Cu 连续功能梯度材料的最优分布指数与分层梯度材料存在较大差异,其最优等效应力比分层梯度材料要小26%,表现出更优异的性能。在热冲击响应过程中,连续梯度W/Cu材料塑性损伤随p值不同也存在较大变化,其最优p值与其稳态运行时热应力最优p值存在一定差异,从第一壁应用条件考虑,应综合选取,最佳p值在1.2附近。综合来看,连续梯度W/Cu材料具有更连续变化的热物理属性及力学性能,在聚变堆第一壁结构设计中具有更大的应用潜力。     

Improved sound absorption performance of three-dimensional MPP space sound absorbers by filling with porous materials

Because microperforated panels (MPPs), which can be made from various materials, provide wide-band sound absorption, they are recognized as one of the next-generation absorption materials. Although MPPs are typically placed in front of rigid walls, MPP space sound absorbers without a backing structure, including three-dimensional cylindrical MPP space absorbers (CMSAs) and rectangular MPP space absorbers (RMSAs), are proposed to extend their design flexibility and easy-to-use properties. On the other hand, improving the absorption performance by filling the back cavity of typical MPP absorbers with porous materials has been shown theoretically, and three-dimensional MPP space absorbers should display similar improvements. Herein the effects of porous materials inserted into the cavities of CMSAs and RMSAs are experimentally investigated and a numerical prediction method using the two-dimensional boundary element method is proposed. Consequently, CMSAs and RMSAs with improved absorption performances are illustrated based on the experimental results, and the applicability of the proposed prediction method as a design tool is confirmed by comparing the experimental and numerical results.     

穿纤维微穿孔板吸声系数的有限元仿真

为拓宽微穿孔板的吸声频带,该文用有限元算法建立了典型微穿孔板和穿入不同数量金属纤维的微穿孔板模型,研究了两种微穿孔板的吸声系数、声阻抗和微孔内法向质点速度的空间分布,并进行了试验验证。有限元仿真和试验数据表明:穿入金属纤维可以拓宽微穿孔板的吸声频带,吸声系数也随纤维根数的增加而下降;吸声系数仿真结果与试验结果趋势一致,仿真模型可以有效模拟穿入纤维前后微穿孔板的吸声特性;穿入金属纤维导致黏滞效应引起的低质点速度区域增大,声阻增加,引起吸声系数的降低,而声抗变化不大。研究发现,有限元仿真方法适用于结构相对复杂的微穿孔结构的声学建模,能直观地体现微孔复杂结构的影响,值得继续深入研究和工程应用。     

Analysis of sound absorption by periodic structures using a hybrid-boundary element/mode expansion method

An improved hybrid method is proposed for analyzing sound scattering by a periodic structure. Part of the scattered field formulated with the mode expansion method is combined with other components of the field formulated with the boundary integration method in one period of the structure. Structures treated by this method can have arbitrary periodic forms made of locally reactive boundaries and porous materials. The oblique incident absorption coefficient of the structure is obtained simply from the reflection factor calculated for each elemental wave of the scattered field. The accuracy of the method is demonstrated by the agreement between calculated and measured values of the normal absorption coefficient of some test structures.     

Use of a hybrid adaptive finite element/modal approach to assess the sound absorption of porous materials with meso-heterogeneities

The paper discusses the sound absorptive performance of a porous material with meso-perforations inserted in a rectangular waveguide using a numerical hybrid adaptive finite element-modal method. Two specific applications are investigated: (i) the improvement of porous materials noise reduction coefficient using meso-perforations (ii) the effects of lateral air gaps on the normal incidence sound absorption of mono-layer and two-layer porous materials. For the first application, a numerical design of experiments is used to optimize the sound performance of a porous material with meso-perforations with a reduced number of numerical simulation. An example in which the optimization process is carried out on the thickness and size of the perforation is presented to illustrate the relevance of the approach. For the second application, a set of twenty fibrous materials spanning a large flow resistivity range is used. Practical charts are proposed to evaluate the influence of air gaps on the average sound absorption performance of porous materials. This is helpful to both the experimenter regarding characterization of porous material based on Standing Wave Tube measurements and for the engineer to quantifying the impact of air gaps and for designing efficient absorbers.