薄膜型声学超材料隔声特性研究

摘要

低频噪声具有很强的穿透能力，一直是环境污染的重要组成部分。受质量密度定律所限制，传统轻质隔声材料很难有效隔离低频噪声，因而，轻质材料的低频隔声问题一直是隔声领域的瓶颈。近年来，声学超材料概念的提出为低频隔声材料的设计提供了新的思路，而薄膜型声学超材料在实现轻质低频隔声方面具有明显的优势。目前已有的研究表明：薄膜型声学超材料能够显著提高低频段的隔声性能，采用多层叠加可以实现宽频段的隔声。然而，薄膜型声学超材料声学性能准确预报、隔声机理、调控规律、以及轻质宽带设计等方面还存在大量的基础问题有待解决。
　　本文紧紧围绕薄膜型声学超材料在隔声应用方面面临的关键理论和技术问题展开研究，研究的主要内容包括：(1)薄膜型声学超材料的声振特性计算方法；(2)薄膜型声学超材料的隔声机理与调控规律；(3)薄膜型声学超材料宽频段噪声隔离技术。论文研究取得的主要创新成果包括：
　　1、提出了薄膜型声学超材料声振特性解析计算方法，为研究薄膜型声学超材料隔声性能提供了有力工具。该方法能够对组成薄膜型声学超材料的基本单元进行全面分析，在薄膜型声学超材料性能预测、调控规律研究方面具有方便、快捷、有效等优点。
　　2、深入分析了各参数对薄膜型声学超材料隔声性能的调控规律，深入揭示了薄膜型声学超材料的隔声机理，为薄膜型声学超材料实现宽频段噪声隔离提供了支持。
　　（1）发现相邻单元含有不同质量的振子时，可以改善低频隔声性能，这为薄膜型声学超材料的低频隔声和多频段噪声隔离提供了一条新的思路。
　　（2）发现双层薄膜型声学超材料在特定频率处，膜结构与中间空气层组成“质量-弹簧”系统，在入射声波激励下发生共振，透射能量增大，隔声性能降低，解释了出现隔声低谷的根本原因。
　　（3）分析了样品较大时，框架振动对薄膜型声学超材料隔声性能的影响规律，研究表明：附加质量局域振动形成的隔声峰不受支撑框架振动的影响，其隔声峰频率位置可以通过单个元胞的隔声峰的频率位置来预测；通过格栅框架的合理设计，利用框架振动，能够在更低频处产生另外一个隔声峰，从而拓宽整个薄膜型声学超材料的隔声带宽，实现多频段噪声的有效隔离。
　　（4）研究发现：相比圆形重物，环形重物结构能够在不降低隔声带宽的情况下，实现更低频的隔声；采用环形和圆形组合重物结构，实现多频段噪声的隔离。
　　3、初步开展了薄膜型声学超材料低频隔声应用探索，设计并制作了0.8m×0.8m的实验样件，并完成了构建了实验平台，完成了实验测试，为薄膜型声学超材料的工程应用提供了一定经验。
　　总之，本文主要针对薄膜型声学超材料低频轻质隔声需要解决的关键理论与技术问题展开系统深入研究：进一步完善了薄膜型声学超材料声振特性计算方法，深入揭示了薄膜型声学超材料的隔声特性调控规律与形成机理，并提出了实现结构向低频、宽带、轻质应用的若干方法，并初步完成了实验验证。这些研究成果有望为薄膜型声学超材料的隔声应用优化设计提供理论基础和技术支撑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 隔声特性算法与传统隔声材料

1.3 声学超材料研究综述

1.4研究思路及主要研究内容

第二章 隔声特性计算方法研究

2.1 隔声特性的解析计算方法

2.2 隔声特性的有限元计算方法

2.3解析计算方法验证

2.4本章小结

第三章 隔声机理与调控规律研究

3.1 隔声的物理机制

3.2 隔声特性的调控规律

3.3本章小结

第四章 宽频段噪声隔离技术研究

4.1 多单元结构隔声特性分析

4.2 多层结构隔声特性分析

4.3 多附加质量结构隔声特性分析

4.4 大型构件隔声特性研究

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

作者在攻读博士学位期间取得的学术成果