典型声学超材料的低频隔声特性研究

摘要

低频噪声问题广泛存在于航空航天、高速列车、海洋船舶、输变电工程等实际应用领域中。低频噪声传播距离远、透声能力强，长期暴露在低频噪声环境中，会对人们的日常生活以及身体健康造成严重的干扰和影响，因而降噪需求突出。隔声处理是低频噪声的有效控制方法之一。传统的隔声材料在低频段的隔声性能需要遵循质量密度定律，即面密度决定隔声材料的隔声量。增加隔声材料面密度才能提高低频隔声量，由此带来隔声材料重量大的问题。
　　近年来，声学超材料概念的提出为低频隔声提供了新的理论基础和技术途径。声学超材料是指由特殊设计的人工声学结构单元周期排列在基体材料中构成的新型声学材料或结构，可以获得自然界材料所不具有的超常特性，如负质量密度特性。声学超材料的负质量密度特性可以打破传统隔声材料质量密度定律的限制，在轻质条件下实现高效隔声，这为低频隔声设计提供了一种新的手段。本文以当前声学超材料降噪应用探索领域最关注的两种典型声学超材料（声学超材料板、声学超材料膜）为研究对象，在考虑多种边界条件的基础上，对其隔声特性计算、分析及设计等问题展开了系统深入研究，论文的主要研究内容和结论如下：
　　1、基于模态叠加法，建立了四边简支、四边固支两种边界条件下有限大声学超材料板的隔声特性计算方法，并通过与其他方法及实验测试结果比较，验证了算法的有效性。基于有限元方法，建立无限大声学超材料膜隔声特性计算方法，与其他方法作对比分析，验证了其有效性。
　　2、研究了四边简支、四边固支两种边界条件下有限大声学超材料板的隔声特性。研究发现：无论是四边简支还是四边固支边界条件，随着周期单元的间距变小，声学超材料板在目标频率处的传声损失逐渐变大，直至收敛；随着附加质量的增加，声学超材料板在目标频率处的传声损失增大，且在传声损失峰值附近的隔声带宽变宽；随着振子损耗因子的增加，声学超材料板的隔声峰值逐渐被削减。
　　3、比较分析了四边简支、四边固支、无限大三种边界条件的声学超材料板低频隔声特性。研究表明：在目标频率处传声损失收敛的条件下，改变声波入射俯仰角，三种边界条件下目标频率处的传声损失曲线基本相吻合，此时边界条件对目标频率处的传声损失几乎没有影响；目标频率处传声损失收敛的条件下，改变声波入射方位角，四边简支边界条件下在目标频率处的传声损失曲线与无限大边界条件下的基本吻合，但是四边固支边界条件下在目标频率处的传声损失对声波方位角的改变比较敏感，增大方位角，其传声损失整体上移十多分贝。
　　4、研究了多元胞无限大声学超材料膜的隔声特性。研究表明：无限大声学超材料膜产生的隔声峰值比有限大声学超材料膜产生的隔声峰值频率要更高，通过逐渐增加框架质量密度，无限大声学超材料膜的传声损失曲线最终将与有限大的完全重合。
　　总之，本文建立了不同边界条件下声学超材料板和声学超材料膜的隔声特性计算方法，系统地分析了边界条件、结构参数、声入射角等对其隔声特性的影响规律。本文的研究工作和结论可为典型声学超材料在隔声降噪领域中的应用设计提供重要的理论指导和技术支持。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 传统隔声材料概述

1.3 声学超材料的隔声特性研究现状

1.4 课题来源、研究思路及主要研究内容

第二章 声学超材料的隔声特性计算方法研究

2.1 引言

2.2 有限大声学超材料隔声特性计算方法

2.3 无限大声学超材料的隔声特性计算方法

2.5 本章小结

第三章 声学超材料板的低频隔声特性研究

3.1 引言

3.2 有限大声学超材料板的隔声特性分析

3.3 有限大与无限大声学超材料板隔声特性比较

3.4 有限大声学超材料板小样隔声实验

3.5 本章小结

第四章 声学超材料膜的低频隔声特性研究

4.1 引言

4.2 声学超材料膜元胞结构及参数

4.3 有限大与无限声学超材料膜隔声特性比较

4.4 无限大声学超材料膜的隔声特性分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要研究结论

5.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间的学术成果