二维电磁亥姆霍兹腔中回音壁模式研究

基于严格的广义双级数方法,研究了二维电磁亥姆霍兹腔内回音壁模式的激发;在给出几种回音壁模式的激发波长的同时,探讨了入射角、亥姆霍兹腔开口大小对回音壁模式的影响.结果表明,回音壁模式对入射波长和腔开口大小的改变非常敏感,但相比而言,固定腔的方位角不变时,入射角在较宽范围内的变化并不影响模式的激发.因此,腔的开口大小对亥姆霍兹腔的性能有很大影响,是亥姆霍兹腔设计中需要重点关注的参量.而当这些亥姆霍兹腔用于构建人工电磁材料时,由于回音壁模式可在较宽的入射角下激发,因而不需要严格要求每个腔的开口方向,材料的加工难度也不大.

亥姆霍兹共振腔复合结构的吸声特性

针对由亥姆霍兹共振腔构成的声学结构,研究了在结构尺寸不变的约束下,有效提升吸声性能的方法。首先,基于声电类比,设计了单腔亥姆霍兹共振器;然后,对单腔进行非均匀分割,形成具有不同腔深的多个亥姆霍兹共振腔,构造多腔并联结构,并建立计算吸声系数的数学模型;接着,在多腔并联结构中添加多孔吸声材料,研究材料厚度对吸声性能的影响;最后,用微穿孔板替代多孔材料,构造亥姆霍兹共振腔微穿孔板复合结构,结合微穿孔板理论,研究结构的吸声性能。结果表明,通过对单腔进行非均匀分割,构造多腔并联结构,能显著提高吸声性能,但随着腔体个数的增加,低频截止频率有向高频偏移的趋势;在多腔并联结构底部添加多孔吸声材料,对吸声性能的提升效果十分有限;在多腔并联结构中布置微穿孔板,能显著拓宽有效吸声带宽,并提高整体吸声系数;结合多腔并联结构的设计和布置微穿孔板,能实现结构吸声性能的大幅提高,且随着并联腔数的增加,吸声性能提升效果更明显,吸声系数曲线更平滑。

基于亥姆霍兹共振腔的声能发电机实验设计

根据声学亥姆霍兹共振器原理,设计了基于亥姆霍兹共振腔和薄膜耦合结构的声能发电机,可以有效地将声波振动能量转换成电能。声能发电机同时利用了声学亥姆霍兹腔共振和薄膜材料的共振,因而具有较宽的工作带宽。此外,该发电机是一种亚波长的声能回收装置,在实际应用中易于实现器件的小型化。这个实验既可用于物理类专业本科生“中级物理实验”课程以弥补声学类实验的不足,也有利于学生了解学科前沿,还有助于培养和提高学生的综合科学能力和素质。

基于亥姆霍兹共振腔的香味自动排放装置设计

该文基于亥姆霍兹共振腔设计了一个香味自动排放装置,可以应用到洗手间的香味自动排放。当检测到有人使用洗手间后,光电开关会自动触发单片机,启动正弦信号发生器,产生亥姆霍兹共振腔的共振频率信号,此时共振腔就会排放出香味,净化空气。

带点缺陷的一维亥姆霍兹共振腔声子晶体中缺陷模式

在基于亥姆霍兹共振腔的一维声子晶体中引入点缺陷会在原有局域共振型声禁带内产生缺陷模式。采用传递矩阵法和有限元法分析了缺陷模式随缺陷单元几何尺寸变化关系和声子晶体中声场分布情况。结果表明,随着缺陷单元与完美单元之间耦合程度的增强,缺陷模式从局域共振型禁带中完美单元共振频率处向禁带边缘移动。同时,缺陷模式的存在使得结构中出现了能量局域化的现象。本工作对设计新型声滤波器、能量集中装置具有一定的理论意义。

亥姆霍兹共振腔不同连接方式的传递损失与特性分析

为了研究亥姆霍兹共振腔不同连接方式的共振频率和传递损失,运用Virtual.Lab Acoustics软件建立单个和两个亥姆霍兹共振腔的有限元模型。仿真计算在串联或并联情况下两个亥姆霍兹共振腔当腔体体积相同和体积不同时的传递损失,并进行吸声特性分析。研究发现,两个体积相同的亥姆霍兹共振腔并联时共振频率略微增大,吸声性能则显著提高;当两个体积不同的亥姆霍兹共振腔并联时共振频率为各自腔体共振频率,互不影响;当两个亥姆霍兹共振腔串联时,振动规律符合二自由度弹簧-质量振动系统的振动规律。把亥姆霍兹共振腔并联关系推广到穿孔板,建立穿孔板孔和背腔的有限元模型和实体模型并进行实体模型的阻抗管试验,对穿孔板仿真结果与实验结果进行对比,验证了仿真模型的正确性。

多组分气体激光光声检测腔的设计

针对多组分气体的光声检测理论进行了研究,提出多组分气体检测腔的2种不同设计方法,分别是多腔检测法与单腔检测法,总结给出2种结构腔的优势与不足。在所选光源无交叉吸收和调制频率无重合的条件下,采用单腔多频率锁相法进行混合气体光声试验,结果表明单腔多组分光声检测方法准确可行。

一维亥姆霍兹共振腔声子晶体中缺陷模式的实验研究

基于亥姆霍兹共振腔单元设计并制作了一种一维局域共振型声子晶体,针对结构中存在点缺陷的情况,进行了实验研究.实验结果表明,由于点缺陷的存在,局域共振型声禁带中出现了缺陷模式,并且在缺陷单元周围引起了能量的局域现象,与理论结果符合较好.缺陷单元从两个不同的方向趋近于完美单元时,缺陷模式分别按照不同的规律变化,但是越靠近禁带边缘,所局域的能量就越多.另外,当缺陷单元共振频率小于完美单元共振频率时,局域能量主要集中在声波导内;反之,局域能量则主要集中在共振腔内.本研究对设计新型低频声滤波装置及高声强集中装置具有一定意义.

附带共振腔的改进型迷宫密封性能分析

为了提高迷宫密封的性能,受亥姆霍兹共振腔启发,提出了一种改进型迷宫密封.在传统迷宫密封腔上方设计第2个膨胀腔,使气流在腔内进行二次膨胀,增加腔内气流的速度耗散.应用数值方法研究改进型密封的泄漏特性、动力特性和声学特性,并与迷宫密封进行比较.研究结果表明:改进型密封内的气流形成了2个漩涡,使气流膨胀更充分,密封泄漏量降低;改进型密封腔的容积增大,降低了低频切向气流力,提高了密封在低频涡动区内的稳定性;受亥姆霍兹共振腔声学效应的影响,改进型密封提高了对低频噪声的抑制能力.

基于磁流变液的共振腔周期结构吸声特性研究

以实现低频可变频噪声控制为目标,研究了声波在填充磁流变液的共振腔周期结构中的传播特性。首先利用Biot理论和声电类比法建立了声波在该结构中传播的理论模型,计算声波传播的传递损失;然后通过COMSOL有限元仿真验证了传递损失曲线的正确性;最后通过数学模型求解并分析了外加磁场对改变结构参数调节吸声工作频率的影响。外加磁场强度增加时,共振腔周期结构的带隙中心频率向高频移动,变频范围为394 Hz;最小传递损失峰值为28.56 dB;腔体体积、颈部长度减小,颈部截面积增大使带隙中心频率向高频移动。该结构低频吸声效果良好,外加磁场对该结构有良好的变频调控作用,随着外加磁场强度增加,结构参数变化产生的变频效果略有增加。

声学结构单元传递函数的建立方法及应用

基于三维有限元的时域仿真法,探讨了建立声学结构单元传递函数模型的一般方法。所建立的声学单元传递函数由结构参数高精度表达,能简化一般声学结构设计问题的流程。首先,建立了两种声学结构单元,仿真其幅频特性,并结合试验测量,验证幅频特性曲线的准确性,而后基于幅频特性曲线拟合传递函数,选择精度最高的零极点匹配方案,确定拟合传递函数的最优型式。结果表明,匹配7个极点和无零点来拟合膨胀腔单元的传递函数,匹配2个极点和2个零点来拟合亥姆霍兹共振腔单元的传递函数,拟合精度最高。然后,分析声学单元的结构参数对幅频特性的影响,并基于拟合传递函数的最优型式,通过数值仿真和拟合计算,建立由结构参数表达的声学结构单元传递函数模型。最后,构造了由膨胀腔和亥姆霍兹共振腔构成的复合声学结构,通过单元传递函数的组合计算,获得声学结构的总传递函数,并与COMSOL仿真结果比较,验证所建立声学单元传递函数模型的正确性,它能准确描述声学结构的传递损失特性。

基于低频吸声超构材料的复合消声器

针对管道内低频噪声难以抑制的问题,基于亥姆霍兹共振腔阵列吸声板和穿孔管消声器组合,设计了一种复合式宽带消声器。首先利用有限元法仿真分析传统穿孔管消声器,发现中低频消声能力较差,通过嵌入亥姆霍兹共振腔阵列吸声板吸收中低频噪声。采用仿真与实验的方式研究吸声板的声学性能:在400∼1000 Hz频段内的平均吸声系数达到了0.88。然后对复合式消声器进行数值模拟及3D打印阻抗管实验测试对比:复合式消声器在400∼1718 Hz频率范围内的平均传递损失为18.15 dB。最终实现了管道内全频带噪声有效控制。

国产自主品牌汽车车内噪声的识别与控制

通过对国产某车型开发后期车内存在的轰鸣声的声源进行识别,确定车内轰鸣声由排气噪声引起。利用GT-POWER软件对消声器结构进行分析和改进,提出一种双频Helmholtz共振腔消声结构来消除车内的轰鸣声,降低车内噪声6 dB,明显改善了车内的NVH性能。

笔筒埙的声音分析、建模与合成

通过对笔筒埙进行音频分析,根据高频湍流噪声的结构,提出了利用圆柱形亥姆霍兹共振腔对笔筒埙进行近似的物理建模。利用COMSOL有限元分析软件对与实际测量笔筒埙具有相同基音以及相同长宽比的共振腔进行分析,并将前6个共振频率与音频分析结果进行了对比,从而验证利用圆柱形亥姆霍兹共振腔对笔筒埙近似的可行性。最后,利用数字波导方法对湍流噪声进行建模并与传统亥姆霍兹共振腔合成相叠加,从而更加准确地对埙的声音进行合成。

基于压电陶瓷材料下的噪声发电研究

噪音是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。噪声污染仍然是四大污染之一,同样,噪声中也蕴藏着巨大的能量。相对的,噪音应该是声音和声能的一种形式。它的产生和传播是通过振动实现的,振动频率不固定,振幅相对较小。也可以说能量不是很大。虽然能量转换是保守的,但作为发电设备,它伴随着热能、机械能和电能的转换,所以不可能将100%声能转换成电能。我们在前人研究的基础上,加入新型材料压电陶瓷来进一步探究其转化效率。

鸣沙表面结构特征与共鸣机制的模拟实验研究

鸣沙发声机制是风沙物理学中长期悬而未决的重要问题.在前人研究的基础上,通过采自沙漠和海滩哑沙及敦煌鸣沙山鸣沙变哑的哑沙的冲洗实验、玻璃微珠表面化学溶蚀实验、表面覆盖实验及SEM的分析.发现:鸣沙发声与沙粒表面有无SiO2凝胶无关,也与其表面的化学组成无关,而与自然沙粒表面由风蚀、水蚀、化学溶蚀及硅凝胶沉淀等多种因素所形成的多孔(坑)状物理结构所构成的共鸣腔有关.其共鸣机制与亥姆霍兹共鸣腔相似.其次,粉尘或更细的黏粒等杂质侵入沙粒表面的孔洞所产生的阻尼作用,可导致鸣沙共鸣机制丧失而变为哑沙.因此,清除石英颗粒表面各种细小杂质对多孔结构的污染是恢复哑沙发声的有效途径.

乘用车车内低频噪声降噪设计

车内低频噪声的控制一直是汽车行业NVH控制的难点。作者提取某款A级车车内声腔进行声场声学特性分析并以发动机作为激励源进行实验,发现车内噪声与声腔声场特性之间具有强相关性,提出引入亥姆霍兹共振腔改变车内声场声学特性,通过控制共振峰幅值实现车内低频噪声控制,对共振腔形式及尺寸参数进行优化后提出了一套车内共振腔设计优化方案,采用路噪测试的方法验证了方案的可行性。结果表明,在某A级车内使用优化后的亥姆霍兹共振腔能降低车内的70Hz以下的低频噪声。

Optimization of uncertain acoustic metamaterial with Helmholtz resonators based on interval model

In summary,the interval uncertainty is introduced to the acoustic metamaterial with Helmholtz resonators.And then,new descriptions(the conservative approximation,the unsafe approximation and the approximation precision)on uncertainties of physical properties of this interval acoustic metamaterial are defined.Lastly,an optimization model for this interval acoustic metamaterial is proposed.The organization of this paper is listed as follows.The acoustic transmission line method(ATLM)for an acoustic metamaterial with Helmholtz resonators is described in Section 2.In Section3,uncertain analysis of the interval acoustic metamaterial is presented.In Section 4,optimization model of the interval acoustic metamaterial is proposed.The discussion on optimization results is shown in Section 5.In section 6,some conclusions are given.

噪声发电机理探究与可行性论证

收集噪声、实现能量转换并加以利用,是值得研究的课题。基于亥姆霍兹共鸣腔结构设计,对噪声发电机理进行了探究,并以KTV为例,进行了分析与测算,还论证了该技术的应用可行性。结果表明:将噪声能量转化为电能的声电转换过程可获得50 m V^100 m V的电压,经整流可获得供日常电器使用的高品质电能;若在所有KTV中使用声电转换装置,可实现降噪、提高产能的目的。期待随着相关材料及制作工艺的完善和优化,该技术可实现规模化应用。