基于声学超材料的低频隔声模型设计

由于低频声波波长较长且穿透力强、难以衰减,能很轻易地绕过障碍物,所以排除低频声波的干扰一直是声学研究中的一大问题。为了实现对低频波的有效吸收,解决现代生产生活中普遍存在的噪声污染问题,以声学超材料为基础,利用COMSOL有限元软件研究设计一种二维三分量局部共振型超材料模型,对不同频率、不同厚度和不同形状结构的超材料模型隔声效果展开研究。经仿真实验结果验证,模型能够实现对低频声波的吸收,在20~3000 Hz频率范围内有效降低低频宽频噪声,最大可得到30 dB的声衰减,从而达到良好的低频隔声效果,这项研究对声学的发展有很好的现实价值和发展空间,为民用及军用领域对减振降噪的高需求提供了更多的可能,可在许多不同的应用中发挥作用。

飞行器舱室内壁蛛网仿生薄膜声学超材料设计

飞行器舱室内部噪声对乘员及飞行操控和通信构成了显著威胁,薄膜声学超材料(MAM)在满足轻量化要求的同时具有出色的降噪性能,能够满足航空工业领域对降噪和飞行器重量的双重要求。受蛛网启发,本文通过结合膜、框和一组振子设计了一种仿生薄膜声学超材料。计算和试验结果表明,仿生模型的振子质量减少了19%,降噪带宽扩展了61%。此外,本文研究了三种设计参数(薄膜形状、振子位置和模型大小)对结构降噪性能的影响规律,并分析了其多级反共振模态。结果表明,圆形模型在降噪性能上优于两个方形模型。当振子位置在半径比为0.54时,可获得最佳的降噪性能。模型在尺寸减小时仍有较大的降噪效果,但当尺寸增大时有失效的可能。非固定框在2×2阵列模型中有助于形成反共振模态,而在3×3阵列模型中作用则相反。根据不同的频率需求调节设计参数,能够适配于飞行器内部复杂、多变的噪声环境。

圆柱壳声学超材料带隙的机器学习优化设计

圆柱壳结构广泛应用于工程中,其振动噪声水平对工程设计有着巨大的影响。针对圆柱壳声学超材料的带隙设计要求,提出一种基于机器学习理论的带隙优化方法。首先,利用有限元法对3000个圆柱壳超材料胞元结构进行带隙分析,然后将计算的带隙数据分别输入不同的机器学习模型进行训练,构造预测模型并利用决定系数(R2),均方误差(Mean Square Error,MSE),可解释方差(Explained Variance Score,EVS)等指标寻求其最优模型,最后,利用最优机器学习模型对圆柱壳声学超材料的带隙进行拓宽设计。研究结果显示该方法可对圆柱壳声学超材料带隙进行有效预测与拓宽。

一种局域共振型声学超材料的半解析建模与带隙机制研究

基于声学黑洞(acoustic black hole, ABH)弧形梁体积小且模态频率丰富的特点,将声学黑洞弧形梁作为附加结构周期分布在直梁上,达到促进局域共振效应和拓宽低频带隙的作用,由此构建一种新的局域共振型声学超材料。针对局域共振型超材料,采用高斯展开法,建立其半解析理论分析模型,基于零空间法处理其内部连接以及周期边界条件,并通过有限元法验证半解析理论分析模型的准确性。分析和计算其能带结构,研究结构参数以及ABH效应对布拉格带隙以及局域共振带隙的影响机理。研究结果表明,该半解析理论模型能够对结构的带隙进行有效计算,附加弧形ABH的陷波机制能够促进结构的局域共振效应并对主梁进行有效减振,为声学黑洞声学超材料的应用提供了新的思路。

宽频带薄膜型声学超材料隔声性能研究

针对汽车前围板中低频段隔声性能有待优化对问题,提出一种以“X”形摆臂为中心质量块的薄膜声学超材料结构,使用COMSOL仿真软件中声固耦合模块对其结构整体声传递损失曲线(Sound Transmission Loss,STL)、薄膜表面平均法向位移、等效参数、耦合振动模态以及影响隔声量因素、调控规律进行有限元分析。结果表明:“X”形中心质量块薄膜声学超材料结构具有优异隔声频率带宽及隔声量幅值,带宽接近1332 Hz,隔声量峰值为54 dB;新结构中“X”形摆臂能兼并由四周质量块产生的不连续隔声峰,从而拓宽隔声频带,提高结构整体隔声性能;增大薄膜厚度和预紧力会使STL曲线整体向高频方向移动,增大“X”形摆臂弹性模量仅会使STL曲线第二隔声谷向高频方向产生小范围移动;其与钢板组成的复合结构能有效提高前围板平均隔声量。相关研究拓展了采用薄膜型声学超材料结构进行中低频段噪声治理的工程应用领域。

声学超材料和亥姆霍兹共振结构的自供能传感器

随着物联网的发展,自供能声学传感器得到了广泛关注。然而,压电传感器的灵敏度等关键指标难以进一步提升。声学超材料能以传统材料无法实现的方式操控声波,为新型声学传感器的设计提供了新思路。本文设计了一种声学超材料和亥姆霍兹谐振结构的自供能声学传感器,并验证了具有缺陷的声学超材料能够聚焦声能;此外,亥姆霍兹谐振器能将聚焦在声学超材料缺陷处的能量进一步放大,传输比超过40 mV/Pa,能满足小型传感器的自供能需求。实验结果表明:与仅有局部缺陷的声学超材料传感器相比,基于亥姆霍兹谐振器的声学超材料传感器具有更高的灵敏度和信噪比。

基于声虹吸效应的薄膜声学超材料结构设计与低频吸声性能研究

针对低频噪声防治问题,本文设计了一种薄膜型声学超材料,通过引入质量块自身结构的不对称性,使其在低频范围内形成新的振动模态,实现低频范围内有效控制噪声。所设计单胞结构在200~1000 Hz的范围内存在4个完美吸声峰,吸声系数0.56以上的频带宽度达到350 Hz,平均吸声系数达到0.53。我们通过进一步优化了薄膜超材料的几何参数,并构建了超胞结构,实现声虹吸效应。通过增加不同共振频率的结构单元,使得结构与空气阻抗相匹配,在研究的低频宽带范围内,吸声峰达到10个,最大吸声系数为0.983,平均吸收系数达到0.781,有效拓宽薄膜超材料结构的吸声范围。该研究提升了声学超材料低频吸声效果,为声学超材料结构设计与优化方面提供了解决思路。

含共振腔体板型声学超材料结构吸声性能研究

为改善传统板型结构的声学性能,设计一种新型含共振腔体板型声学超材料结构。研究结果表明:共振锤对该板型声学超材料的吸声性能几乎没有影响;共振腔夹层板带孔上下面板的厚度或者立方体周期性方形壁板结构的壁长、壁厚等对整体结构的声学效果具有明显的调节作用,随着这些参数的增大,结构整体的吸声峰会向低频移动。

兼顾降噪和通风性能的声学超材料研究进展

传统用于隔声降噪的结构,通常阻碍了气流的传输,无法满足许多实际应用场景的需求。声学超材料作为当下声学研究的热点,为设计新颖的通风降噪结构提供了有效的解决方案。简要讨论了传统通风降噪结构在应用中的局限性,追溯了声学超材料的出现与发展,重点介绍了Helmholtz共振结构、空间盘绕结构、声学超笼和声传输可调结构这几种类型的声学超材料在通风和降噪方面应用的最新进展,总结了这些超材料的结构特点、降噪原理和通风特性,以及它们在低频宽带噪声衰减、通风效果和结构轻薄化等方面的明显优势。最后,对这一新兴领域在优化设计、现场实验和通风性能研究三个方面的发展进行了展望。

面向城市变电站降噪的惯性放大声学超材料板应用

城市变电站变压器、电抗器以及风机等设备产生的噪声对居民正常生活和工作产生不良影响。面向城市变电站设备低频噪声的控制需求,提出了采用惯性放大声学超材料板隔离变电站设备低频噪声向周边区域传递的防护方案,并为此首先建立了惯性放大声学超材料的能带及振-声学特性计算模型,在此基础上分析了带隙的结构参数调控规律,最后通过隔声实验对计算模型和参数调控规律进行了验证。结果表明:当在板上附加惯性放大机构后,结构在132~450 Hz及600~1409 Hz两个频段内出现了带隙,能够抑制弹性波的传播。跨距增大与惯性放大角增大都会带来隔声性能的提高。研究结果为惯性放大声学超材料板用于变电站低频噪声的隔离提供了设计依据。

局域共振声学超材料耦合效应研究

针对传统的声学超材料存在降噪频率窄、造价成本过高、实现难度大等诸多问题,提出一种带柔性薄膜结构的Helmholtz共振腔声学超材料结构,以局域共振耦合效应现象为出发点,推导出Helmholtz共振腔和柔性薄膜的数学模型。运用COMSOL Multiphysics软件对模型进行仿真分析,研究表明,该结构产生了2个局域共振峰值。为了实现对声学超材料消声频带的控制,向薄膜内注入液体。实验测试表明,当注液量从0增至35 mL时,薄膜峰值处的共振频率从612 Hz偏移到446 Hz,偏移量为166 Hz。所设计的局域共振声学超材料在频带范围内对低频噪声具有良好的控制效果,为声学超材料的设计提供了一种方法。

减振降噪声学超材料的研究与应用进展

分析减振降噪声学超材料的研究进展,围绕减振降噪超材料研究领域的3个方向(拓宽带隙、可调带隙和多功能集成)阐述不同类型超材料的机理,比对其减振降噪特性。并在此基础上进一步介绍声学超材料在船舶海洋等实际工程中的应用。超材料利用对结构(包括几何与材料)的设计改变其等效物性参数,以实现声学设计中阻抗匹配或失配的需求,从而实现减振降噪。分析结果表明,超材料的研发与使用将大大拓展船舶减振降噪途径的选择范围,并可以帮助克服低频减振降噪的瓶颈。

双质量块薄膜型声学超材料的隔声特性分析

基于超材料隔声原理设计了一种双质量块薄膜型声学超材料结构,通过试验和有限元方法对其隔声性能进行了研究,并基于数值方法进一步研究了其隔声特性影响因素。结果表明:所设计的双质量块薄膜型声学超材料在中低频区域能产生两个传声损失峰值;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;增加质量块之间距离会使第一个隔声峰对应频率和第二隔声峰对应频率出现先减小后增大的变化规律,当质量块之间距离在1.2 mm左右时,第一隔声峰对应频率的极小值为440 Hz,当质量块之间距离在2.4 mm左右时,第二隔声峰对应频率的极小值为685Hz;减小薄膜厚度或预应力会使传声损失曲线整体向低频区域移动。

双面框架式板型声学超材料的低频隔声特性研究

根据经典的质量定律,传统的轻量化结构在低频时通常无法提供良好的隔声性能。针对低频声波的控制,本文提出了一种具有双面框架的板型声学超材料。利用有限元方法计算了其声传输损失和色散关系,并结合振动模态详细分析了该超材料结构形成低频隔声的物理机理;研究了超材料结构的几何参数对其声传输损失的影响。结果表明:所设计的超材料结构能够实现低频宽带隔声效果,隔声峰频率主要受谐振器的固有频率的影响;隔声谷由谐振器和基体板的质量比决定。框架的对称分布,可以实现双峰耦合,拓宽隔声峰频带。本文提出的框架式板型声学超材料为低频宽带降噪领域的声学超材料结构的设计提供了一定的参考价值。

基于框架式板型声学超材料低频隔声模型设计

与传统隔声材料相比,声学超材料具有更好的低频隔音性能,因此广受欢迎。针对低频声波的控制,本文提出了一种圆形孔洞的框架式板状声学超材料。该结构由周期性方形超材料单元的大型板式声超材料和带有相同圆孔的双面框架组成。根据有限元法研究了框架型板状声超材料的声传输损失,计算了其等效质量密度和振动位移,并结合其在隔声峰和隔声谷处的振动模态进一步验证了所设计的超材料结构的局域共振特性。所设计的超材料结构能够在100~500 Hz频率范围内有效隔离低频噪声,最大可得到43 dB的声衰减,从而达到良好的低频隔声效果。随后,讨论了单一几何参数和材料参数对传声损耗的影响。所提出的框架型板声超材料结构可能有助于声超材料的工程应用。

基于声虹吸效应的薄膜声学超材料吸声型管道消声器

本文将薄膜型声学超材料应用于消声器中,通过利用其独特的吸声性能,将声学超材料的吸声特性转化为计算消声器的传输损失的特性。通过引入声虹吸效应,有效提升了消声器的消声效果,实现了更为出色的声学性能。获得了一种结构简单、体积小,在管道声学方面能够控制低、宽频噪声的薄膜吸声型消声器。基于将单元扩胞引入声虹吸效应,改善消声器的消声效果,结果表明当扩胞为两个单元结构后,消声器的传输损失获得了提升,获得4个传输损失声峰,最高传输损失峰值为18 dB为提高消声器的消声效果提供了新的优化思路。

几何参数和声虹吸效应对薄膜声学超材料低频吸声性能的影响

针对低频噪声防治问题,本文设计了一种薄膜型声学超材料,质量块选用圆形质量块,分析几何参数对其吸声性能的影响,同时利用阻抗匹配原理解释了产生吸声峰的原因。研究结果表明:吸收峰主要来源于薄膜弹性振动;改变薄膜及附加质量的几何参数均会显著改变吸收峰的幅频特征,因此,可针对目标频谱特性,通过优化薄膜和附加质量的几何参数,有效改善薄膜声学超材料的吸声性能。引入声虹吸效应能提升了声学超材料低频吸声效果,为声学超材料结构设计与优化方面提供了解决思路。

基于声学超材料的地毯低频降噪设计优化及试验验证

汽车行业通用的声学包设计主要通过控制噪声传播路径来减弱噪声影响:利用多孔材料和微穿孔结构吸收中高频噪声;选择高面密度材料以隔离中低频噪声。由于低频噪声波长较长,在有限的布置空间内现有吸、隔声措施难以奏效。声学超材料在窄频带内具有高效的吸声效果,而通过特定的结构设计,可实现在较宽频率范围内的高效吸声。文章尝试在传统地毯设计中融合声学超材料,借助声学超材料频率可设计的特点,提高了地毯的低频声学性能。该方法可为现有地毯设计降噪措施赋能,解决低频噪声控制痛点。

半主动式薄膜型声学超材料超低频隔声特性研究

针对变电站50 Hz的超低频噪声较难控制的特点,设计一种半主动式薄膜型声学超材料,通过仿真模拟计算其隔声特性。该材料以钕铁硼磁铁作为中心质量块负载于边界固定的橡胶薄膜上,并装配通电螺线管作为半主动控制系统。通过仿真模拟及数值分析手段对其隔声特性进行研究。通过改变电流强度准确控制中心钕铁硼磁铁质量块的受力,最终改变薄膜张力,实现隔声峰频率的控制,与一般的薄膜声学超材料相比,其具有缓解薄膜材料疲劳等优点;并对薄膜厚度以及质量块厚度、大小对薄膜型声学超材料声学特性的影响进行研究。仿真结果表明:该材料对于50 Hz的超低频噪声隔声量达到130 dB,具有优良的隔声性能。

带背腔薄膜型声学超材料低频隔声特性分析

为弥补传统材料难以有效控制低频噪声的不足,提出一种由弹性薄膜、穿孔质量环和背腔组成的薄膜型声学超材料,建立单元声固耦合有限元模型,分析其在10 Hz~700 Hz频段内的薄膜振动特性,探讨薄膜预应力、穿孔半径、背腔高度、附加质量和薄膜厚度对隔声性能的影响规律,并研究基于协同耦合隔声机理的多单元组合隔声效果。结果表明:薄膜与背腔和穿孔结构耦合能丰富薄膜在低频处的振动形式,较传统Helmholtz共振腔和薄膜型声学超材料具有更宽的隔声频带;在考虑频段范围内存在6个声衰减峰,背腔高度、薄膜厚度和预应力的改变可使第三和第四峰值产生明显频率偏移,多单元协同耦合可实现一定频率范围内的连续宽带隔声,分析结果可为低频噪声的轻质和宽带控制提供理论参考。