车用声学超材料的仿生设计研究

摘要

随着人们对舒适性要求的提高，汽车的NVH水平越来越受到关注，但对车辆行驶过程中的低频宽带振动问题的有效治理仍是工程上的一大难点。传统的隔振材料对低频振动的阻隔能力较弱，一些抑振措施如施加动力吸振器只在其固有频率附近很窄的频率范围内才有效果。耳蜗作为人体听觉系统的核心，可以感受到的声音频率范围很宽(20~20000Hz)，这种对入射声波/弹性波的宽频响应机制如用作耗散能量，则可为宽频抑振提供新的思路。　　本课题受人耳对声音感知机制的启发，以耳蜗为仿生对象，根据大量临床数据，采用有限元法建立耳蜗基底膜简化模型及流固耦合模型。研究耳蜗识别不同频率声音的机理，揭示出其宽频振动响应能力的生理结构基础为耳蜗基底膜。基底膜为螺旋状薄膜结构，具有“底端窄且厚，顶端宽且薄”的结构特征。将基底膜的这种结构特点应用于声学超材料/结构的开发设计，为汽车的宽频抑振提供了一种新的解决方法。主要研究内容如下：　　(1)人体听觉系统声学机理研究。介绍了人耳听觉系统的生理学构造，阐述了人耳对声音的感知机制和现阶段普遍接受的基底膜识别声音的机理。在此基础上，通过对已有临床数据的总结，建立基底膜的简化模型。通过有限元法进行模态分析，表明：当低频振动传到耳蜗时，振幅最大处发生在基底膜顶端，当高频振动传到耳蜗时，振幅最大处发生在基底膜底端。这与普遍接受的基底膜的行波理论相吻合，也在一定程度上说明了模型仿真的合理性。进一步，建立了耳蜗的三维流固耦合模型，通过对比发现在流固耦合作用下，结构的模态频率大大降低，更加符合正常人耳的听觉频率范围，同时也验证了模型的有效性。　　(2)基底膜型结构动态特性研究。基底膜的工作频率范围非常宽，为更有效地利用基底膜，可将其截断。此段上的模态分布规律相对整体结构模态分布具有“自相似性”，且前几阶模态与截断前完全一致，具有“保持性”，截取的基底膜长度越长，截取位置越靠近基底膜高频端，模态频率保持区间更大。为推向工程应用，将基底膜尺寸扩大，并使用常用材料铝制成具有耳蜗基底膜结构特征的铝基底板结构，其动态特性与耳蜗基底膜一致，但模态频率大幅度提高。进一步，去除铝基底板一侧的固定位移约束，在保证铝基底板模态分布规律的前提下，可使其频率下降至工程可用范围。为更适合工程应用，采用焊接处理，其模态频率又有小幅下降。　　(3)基底膜型宽带超材料设计。铝基底板相邻各阶模态频率间隔保持稳定，据此，可将多条铝基底板截断组合，使其频抑带隙对接后设计形成宽带抑振超材料。对基底膜型超材料的5项结构参数进行灵敏度分析，包括：高频端宽度K1，高频端厚度H1，低频端宽度K2，低频端厚度H2，长度L。从中选取出对1阶模态频率灵敏度较高，但对相邻阶模态频率差值灵敏度低的参数作为基底膜型宽带超材料的设计参数。遵循模态互补原则，选取铝基底板低频端厚度作为调整参数，带隙对接后形成一个在184Hz-285Hz带宽下具有均匀的模态分布的超材料。　　(4)系统频响函数理论分析。研究了单自由度系统附加另一系统前后频响函数变化规律。进一步，推导了多自由系统的频响函数，为基底膜型宽带超材料应用提供了有效的理论支持。　　(5)基底膜型宽带超材料抑振效果验证。针对某车型乘坐室顶棚结构建立简化模型，对比附加基底膜型宽带超材料前后的振动频响函数，结果表明基底膜型宽带超材料有效降低了特定频段范围内的振动幅值，证明其可用于车辆钣金抑制，降低车内噪声，提升整车NVH性能。　　课题创新点：　　(1)系统地揭示出耳蜗基底膜结构动态特性及演变规律，为仿生设计奠定基础。探究了基底膜型结构的截断特性；材料参数替换后的模态保持性；降低边界约束，引入焊接单元后的低频迁移。通过正交试验分析了各结构参数对基底膜型结构第1阶模态频率和相邻阶模态间隔的影响幅度，提出了通过带隙对接方案设计超材料。　　(2)以耳蜗基底膜结构为仿生对象，开发设计出了一种具有低频宽带抑振性能的声学超材料仿生体结构。研究人耳耳蜗识别不同频率声音的机理，揭示其宽频振动响应能力的生理结构基础为耳蜗基底膜。将基底膜的结构特点应用于超材料的开发设计，为汽车的宽频抑振提供了一种新思路。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 超材料国内外研究现状

1.2.2 耳蜗力学国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第 2 章 人耳听觉系统声学机理研究

2.1 引言

2.2 听觉系统生理学构造及作用

2.2.1 外耳

2.2.2 中耳

2.2.3 内耳

2.3 基底膜建模及分析

2.3.1 基底膜模型建立

2.3.2 基底膜模态分析

2.4 耳蜗流固耦合模型建立及分析

2.4.1 耳蜗模型简化

2.4.2 耳蜗模型建立

2.4.3 耳蜗模态分析

2.5 本章小结

第 3 章基底膜型结构特性研究

3.1 引言

3.2 基底膜截断特性研究

3.3 边界约束调整后的低频迁移

3.3.1 单边约束后的低频迁移

3.3.2 采用焊接处理后的低频迁移

3.4 本章小结

第 4 章基底膜型宽带超材料设计

4.1 引言

4.2 铝基底板结构参数正交试验分析

4.2.1 正交试验设计

4.2.2 正交试验分析

4.3 面向带隙的模态分布规划与互补

4.4 本章小结

第 5 章 基底膜型宽带超材料抑振效果

5.1 引言

5.2 系统频响函数的理论分析

5.3 超材料效果验证

5.4 本章小结

第 6 章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文、专利及科研参与情况