回旋型超材料吸声结构的设计与分析

摘要

噪声一直是困扰人们工作和生活的重要因素，因此减振降噪对改善人们的生活质量具有重要意义。然而多数吸声材料或结构只对中高频声波有较明显的作用，对于低频声波并没有显著的吸收效果。因此提高低频吸声成为了国内外众多学者的研究热点。 本文基于卷曲型声学超材料设计了一种回旋型超材料吸声结构。该结构对低频率声波有良好的吸收作用。与传统吸声结构不同，本结构主要通过延长声波的传递路径，利用摩擦和粘滞力消耗声能以达到低频吸声的目的。 首先，基于声学理论基础和有限元仿真原理建立回旋型超材料结构的有限元模型，用COMSOL Multiphysics软件进行仿真计算，得到吸声系数曲线。并通过参考文献中的模型验证仿真方法的正确性。 接着，采用变量控制法，改变模型的尺寸参数，分析通道宽度、通道层厚度以及通道层数变化对回旋型超材料吸声性能的影响。结果表明，通道宽度以及通道层数变化对结构吸声性能的影响显著；通道层厚度的变化对结构吸声性能的影响不明显；不同通道层厚度下，结构吸声性能随通道宽度的变化规律不同。 最后，将多孔材料应用到回旋型超材料上，研究在通道中添加多孔材料和基体采用多孔材料时结构吸声性能的变化。研究表明，在通道中添加多孔材料能够显著增加结构的低频吸声性能；流阻率在值1000~2000范围内，多孔材料流阻率越低结构阻抗匹配越好，低频吸声能力越好；部分通道添加多孔材料比通道全部添加时吸声效果好，第一层通道添加多孔材料时吸声效果最好；针对一层通道添加多孔材料的情况，不同位置添加多孔材料使得结构的吸声性能不同，添加的多孔材料越远离入声孔吸声效果越好。基体全为多孔材料时，并不能提高结构的低频吸声特性，但是只有通道层采用多孔材料时结构的低频吸声能力明显好于其他情况。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及其研究意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 局部共振声学超材料研究现状

1.2.2 薄膜型声学超材料研究现状

1.2.3 卷曲型声学超材料研究现状

1.3 本文主要研究思路及内容

2 理论基础

2.1 平面波基本理论

2.1.1 平面波波动方程

2.1.2 平面波垂直入射时的反射和透射

2.2 声波的吸收

2.2.1 黏性吸收

2.2.2 热传导吸收

2.2.3 弛豫吸收

2.3 吸声结构吸声性能的评价方法

2.3.1 吸声系数

2.3.2 声阻抗

2.4 本章小结

3 回旋型超材料吸声结构的设计与参数分析

3.1 回旋型超材料吸声结构的设计

3.1.1 设计原理

3.1.2 回旋型吸声结构设计方案

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 仿真模块与原理

3.2.2 仿真前处理过程

3.2.3 仿真结果

3.3 仿真方法的验证

3.4 回旋型超材料吸声结构参数分析

3.4.1 通道宽度对吸声性能的影响

3.4.2 通道层厚度对吸声性能的影响

3.4.3 通道厚度与宽度同时变化对吸声性能的影响

3.4.4 通道层数对吸声性能的影响

3.5 本章小结

4 多孔材料对回旋型结构吸声性能的影响

4.1 多孔吸声材料简介

4.1.1 Delany-Bazley-Miki模型

4.1.2 Johnson-Champoux-Allard模型

4.2 通道添加多孔纤维材料对吸声性能的影响

4.2.1 多孔纤维材料参数对结构吸声性能的影响

4.2.2 多孔纤维材料体积变化对吸声性能的影响

4.2.3 多孔纤维材料位置对结构吸声性能的影响

4.3 基体为多孔材料对吸声性能的影响

4.3.1 多孔泡沫材料参数对结构吸声性能的影响

4.3.2 部分基体添加多孔泡沫材料对结构吸声性能的影响

4.4 本章小结

总结

参考文献

致谢

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