高阶微穿孔型超材料低频宽带吸声机理

针对现有低频噪声控制的迫切需要,提出了一种高阶微穿孔型超材料结构,解释了其低频宽带吸声机理,并设计了新型的高阶微穿孔型低频宽带吸声超材料,在300~3 000 Hz的频率范围内表现出连续优异的吸声特性。设计了单个单元的吸声结构,通过在传统的微穿孔超材料内部增加穿孔板的方式,激发高阶特性,对比发现,高阶微穿孔型超材料实现了对高阶峰值的灵活调整。使用理论公式和有限元仿真,建立单元结构的计算模型计算单元的吸声系数,对结构进行吸声机理分析,同时分析了典型结构参数对于吸声特性的影响规律;在此基础上,通过单元间的严格耦合,设计了一种9单元宽带吸声结构,并进行实验验证。实验结果表明,该材料总体厚度为106.1 mm,在300~3 000 Hz的频率范围内获得了连续优异的带宽,平均吸声系数达到90%以上。该结构具有亚波长厚度的低频宽带吸声特性,在汽车、飞机、轮船等噪声环境中,具有广阔的减震降噪的工程应用前景。

基于微缝折叠空间结构的宽带吸声超材料设计

如何实现低频宽带吸声,设计具有亚波长厚度的吸声超材料一直是一项具有挑战性的任务。提出了一种微缝折叠空间超材料结构,建立结构的理论解析模型与数值仿真模型,深入研究其声学特性和吸声机理,分析了典型结构参数对吸声特性的影响规律,基于此探究实现低频宽带吸声的可能性。研究表明,通过调整折叠空间厚度及折叠通道数目,可以在较大的频带范围内调节结构的峰值频率,同时不改变其近完美的吸声性能。最后,提出了一种宽带吸声超材料,在500~2 000 Hz频率内获得平均吸声系数达0.931的连续高效吸声带宽。结构厚度为5.68 cm,仅为最低共振频率对应波长的1/12,试验结果良好。研究成果可为实现宽带吸声提供借鉴。

吸声型薄膜声学超材料低频宽带吸声性能研究

该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,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。

微穿孔黏性超表面的低频宽带吸声机理

针对传统材料难以有效吸收低频噪声且带宽较窄的问题,提出了一种微穿孔黏性超表面的低频宽带吸声机理,并设计了多元胞超表面结构,其中每个元胞由微穿孔板和折叠背腔组成。首先利用有限元仿真和理论公式计算单个元胞的吸声性能,并与传统亥姆霍兹共振器结构进行对比,发现该结构具有优异的高阶峰值,而且峰值带宽增加约1倍,基于此提出了实现低频和宽带的机理;然后分析了典型结构参数对吸声特性的影响规律,如吸声面积比、小孔直径及背腔深度等;最终通过多单元峰值间严格耦合,设计了由8个元胞组成的宽带吸声超表面。结果表明:吸声超表面厚度仅为6 cm,在频段550~2500 Hz范围内实现连续优异的吸声带宽,平均吸声系数高达90%以上。该结构具有厚度薄、频带宽且强度好等特点,在消声室、工厂和航空等场合具有广泛的应用前景。

基于FP通道-泡沫铝板复合结构的低频宽带吸声体

提出了FP(Fabry-Pérot)通道和泡沫铝的亚波长复合吸声结构,兼顾低频和宽带的良好吸声,平均吸声系数达90%。建立了该复合吸声结构的压力-热黏性声学有限元数值分析模型,阻抗管试验结果验证了从设计的截止频率366 Hz开始具有良好的吸声特性;基于有限元分析方法,讨论了FP通道的截止频率公比、吸声面积比、通道数量和泡沫铝板厚度对吸声性能的影响,并与其他复合结构进行吸声性能对比。结果表明,该复合吸声结构在噪声控制领域中有应用价值。

对称折叠通道结构的低频通风吸声体

为了消除或减少低频噪声,该文提出了一种低频通风超材料吸声体。该吸声体由对称的折叠通道结构组成,具有深度亚波长、高通风空间占比和低频高效吸声的特性。通过传递矩阵方法、有限元模拟和四传声器实验法,揭示了对称折叠通道结构通风吸声的物理机制。首先在理论上分析单个吸声体的通风吸声性能并进行了仿真模拟,在共振频率423 Hz附近,吸声系数大于0.9,通风空间占比高达40%。其次,吸声单体的共振频率可通过改变折叠通道的长度来灵活调控,组合多个不同共振频率的吸声单体可以拓宽吸声体的有效吸声带宽。由4个吸声单体组合的通风吸声体可实现314~366 Hz频率范围内的高效声吸收(吸声系数大于0.8),且通风空间占比达到35%,而结构厚度仅为314 Hz时波长的1/10。该低频通风吸声体具有结构简单、结构强度高和容易制造等特点,在低频通风降噪领域有着潜在的应用前景。

声学超结构低频宽带协同耦合高效吸声机理

针对传统材料难以有效控制低频噪声的问题,提出了一种膜类带腔声学超结构的低频宽带协同耦合高效吸声机理。这种超结构有多个吸声单元,每个吸声单元由两个铝片组成,铝片固定在空气腔上方的硅胶薄膜上。首先利用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.3计算单元胞的吸声特性,确定吸声结构的尺寸和材料参数;然后通过两元胞结构分析振动模态和吸声机理,解决吸声结构窄带的问题,再分析典型结构参数对协同耦合机理和吸声特性的具体影响规律;最后通过多单元的协同耦合,实现整个频率范围内的宽带吸声。仿真结果表明:通过设计多个单元的协同耦合,可以将不同单元之间的吸声峰值相互错开,使结构的吸声系数在整个低频范围内均匀分布,实现200~1 000 Hz范围内连续的吸声宽带,平均吸声系数为80%左右,实现低频大宽带的优异吸声性能。该研究结果可为低频宽带吸声材料的设计提供一种新的思路,在控制振动和噪声方面具有潜在的应用前景。

高切向流速高声强条件下梯度阻抗吸声超材料研究

在涡扇航空发动机声衬表面,存在高速切向流场与高声强声场耦合问题,吸声机理与调控机制复杂。高切向流速高声强条件下低频宽带噪声的有效吸收极具挑战性。该研究提出考虑高切向流速、高声强以及复杂容抗修正的声阻抗理论方法,设计了梯度阻抗调控吸声超材料。从理论解析计算、有限元数值建模及试验测试三个维度深入分析声波与结构的作用机理和调控规律。结果表明:梯度阻抗吸声超材料可有效提高吸声效率,避免传统声衬吸声频带窄的缺点。在0、30 m/s、60 m/s、98 m/s切向流速和130 dB背景噪声下,提出的梯度阻抗吸声超材料在500~3 000 Hz范围内具备良好吸声效果。该超材料结构简单,在高切向流速高声强复杂边界条件下,仍有深亚波与宽带吸声特性,具有广阔的应用前景。

L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的吸声性能研究

为了提高单层微穿孔板吸声结构的低频吸声性能,设计了一种L型分割背腔的微穿孔板吸声结构。基于微穿孔板吸声理论和声电等效电路原理,建立了两腔分割的L型分割背腔的微穿孔板吸声结构的声电等效电路模型。数值和实验结果表明:L型分割背腔的微穿孔板吸声结构能很好的改善单层微穿孔板结构低频吸声性能,并且明显拓宽了单层微穿孔板结构的吸声带宽。将此结构推广到N腔分割,实验结果和数值结果拟合的较好。

复合微穿孔板吸声结构吸声特性分析及优化

针对传统微穿孔板吸声结构(Micro-Perforated Panel Absorber,MPPA)吸声带宽较窄的问题,基于微穿孔板串并联耦合机制,提出了三种不同结构形式的复合MPPA结构。首先,依据声电类比法推导出了复合MPPA法向入射吸声系数的解析计算模型;然后,通过初步设计结构尺寸参数,探究了该类吸声结构的宽带吸声特性;针对500~3600 Hz的目标吸声频段,采用多种群遗传算法对复合MPPA以及传统简单MPPA、串联MPPA、并联MPPA分别进行优化,对比分析了其最优吸声带宽;最后,利用有限元法对优化后吸声性能最佳的复合MPPA进行了吸声系数仿真测试以及对应的阻抗管实验测试。测试结果表明,所提出的复合MPPA的宽带吸声性能优于传统简单MPPA、串联MPPA和并联MPPA的吸声性能;在500~3600 Hz频段内,优化后吸声性能最佳的复合MPPA能够实现优异的宽带吸声,平均吸声系数高达0.92。该类吸声结构为宽带噪声控制提供了一定的参考。

穿孔膜与扬声器组合结构吸声性能研究

针对穿孔膜结构低频吸声能力不足问题提出穿孔膜-扬声器复合吸声结构。将扬声器放置于穿孔膜结构后端组成复合吸声结构,可改善结构的低频吸声性能。利用传递矩阵方法建立复合结构吸声理论模型,通过数值计算软件对其吸声性能进行数值计算,并通过阻抗管实验对复合吸声结构的声学性能进行验证,结果显示复合吸声结构的理论和实验变化规律基本一致。扬声器在低频段引入一个吸声峰,调节扬声器的背腔深度可以扩大复合结构的吸声带宽,调节穿孔膜的背腔深度可以使吸声峰值向低频方向移动。合理地设计扬声器和穿孔膜的背腔深度,可以实现结构的高效低频吸声。

内置穿孔隔板单层非均匀微穿孔板吸声结构的设计与分析

微穿孔板吸声体作为一种高效吸声结构在噪声控制领域具有巨大应用潜力。但传统微单层穿孔板吸声带宽较窄难以应对多变的噪声环境,为此本文提出了一种内置穿孔隔板非均匀微穿孔板吸声体结构。首先建立了内置穿孔隔板非均匀微穿孔板吸声结构的等效电路模型并进行了理论分析,然后运用COMSOL Multiphysics有限元软件对吸声体结构进行了参数仿真研究,最后进行了实验分析。结果表明:通过增加穿孔隔板可有效调节吸声体声阻抗,从而拓宽吸声体结构的吸声带宽。本文的研究成果可为微穿孔板吸声体推广应用提供新思路。

轻质隔热屋面的吸声作用

文中介绍两种用于游泳馆隔热层面构造的混响室实测吸声系数，其中薄膜复面的玻璃棉隔热层比钢板复面的玻璃棉隔热层在中低频范围具有更好的吸声特性，使用这种材料有利于在大空间内控制混响时间，从而提高扩声效果。

单层宽频柔性微穿孔板的加工方法和声学特性研究

针对单层微穿孔板吸声带宽较窄、常规加工方法难以制造超微孔径微穿孔板等技术现状,着重研究了具有较宽吸声频带的单层柔性超微孔微穿孔板的加工方法,包括微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)模板浇铸脱模法、热压印穿孔法、针辊式穿孔法、数控铣床穿孔法,并比较、分析了这些加工方法各自的特点。其中MEMS模板浇铸脱模法和数控铣床穿孔法都可以实现孔径小于100μm的超微孔柔性微穿孔板加工。前者可以实现批量化加工,但成本较高;后者加工精确,但不适合孔径过小、穿孔密度太大的柔性微穿孔板批量化加工。热压印穿孔法和针辊式穿孔法可以实现批量化加工,不过难以加工出孔径100μm以下的超微孔,且加工误差较大。进而,加工了多种柔性材质的微穿孔板膜片,包括聚二甲基硅氧烷,硬纸板,聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC),聚碳酸酯,耐高温聚酯。其中,采用数控铣床穿孔法加工的PVC微穿孔板膜片有较好的吸声性能,部分单层PVC微穿孔板的吸声带宽可以达到3倍频程。

基于内嵌管和不同腔深构型的蜂窝型声衬

具有良好吸声和机械性能的蜂窝吸声结构在航空工程领域应用广泛.微穿孔板与蜂窝型背腔相结合的复合结构是目前实现吸声降噪声衬设计的主要形式.本文所设计的声衬结构引入了内嵌管及不同腔深设计的蜂窝腔体,以亚波长的厚度实现了低频宽带的高效吸声.在理论上建立了含有内嵌管的不同深度蜂窝腔体声衬的理论模型,揭示了该构型的并联耦合吸声机制,设计了厚度为35、45和51 mm的3个吸声结构,分别在400~600、400~800、600~1600 Hz频带内实现了平均吸声系数超过0.9的高效宽频吸声.理论、仿真与实验结果吻合较好.内嵌管和腔深各异的构型为声衬设计提供了更高的自由度.该声衬轻薄简单的结构具有良好的工程应用前景.