压电分流型声学超材料的隔声特性研究

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低噪声品质是现代装备发展的一个重要目标和特征。噪声问题严重影响到人类的健康以及装备的性能,噪声控制已经成为我国装备制造业争夺国际市场亟需解决的关键技术问题之一。  轻质板类结构是各种装备舱室的主要构成部分。其隔声性能是衡量装备噪声抑制水平的重要指标。低频噪声具有噪声能量大、传播距离远、特征线谱明显等特点,是对装备噪声品质影响最为严重的部分。受制于质量定律,传统的隔声技术通常仅对高频噪声起作用,要想抑制低频噪声需要增加非常大的质量,因此,低频隔声一直是传统噪声控制领域的瓶颈。  近十年来,在弹性介质基体中嵌入亚波长局域振子所构成的声学超材料,具有自然界的声学材料所不具备的超常物理参数,极大地提高了人们操控声波的能力,为轻质、低频隔声提供了一种可能的技术手段。最近的研究表明,通过引入智能结构和有源元件,可以进一步丰富声学超材料的设计。其中,压电分流型声学超材料具有局域共振频率可调、附加质量小、不破坏基体结构等优点,在低频轻质隔声方面具有显著的优势。  本文紧紧围绕压电分流型声学超材料在隔声降噪应用中所面临的基础理论和关键技术问题,以压电分流型板状声学超材料和压电分流型箔状声学超材料为对象展开研究,研究的主要内容和创新成果包括:  1、完善了压电分流型声学超材料的隔声特性计算方法。基于动态等效理论,提出了计算压电分流型板状声学超材料隔声特性的等效介质方法。该方法具有高效率、高精度的特点。基于有限元理论,提出了计算压电分流型箔状声学超材料隔声特性的有限元方法。该方法的主要优点是适用性更广泛,可以分析构造复杂的声学超材料在各种边界条件下的声固耦合问题。以上算法研究成果为压电分流型板状声学超材料和压电分流型箔状声学超材料的研究提供了有力的理论分析工具。  2、深入分析了压电分流型板状声学超材料的隔声特性及隔声机理。发现了压电分流型板状声学超材料在特定频段能够获得比同等质量的均质板更优异的隔声性能。揭示了压电分流型板状声学超材料具有超常的等效动态刚度。其隔声曲线上产生隔声峰的物理原因是在局域共振频率处的等效刚度为无穷大,导致声波被完全反射;产生隔声谷是因为压电分流型板状声学超材料的弯曲波数与激励声波的投影波数恰好相等,从而激发出强烈的本征波。  3、深入分析了压电分流型箔状声学超材料的隔声特性及隔声机理。发现了压电分流型箔状声学超材料的隔声量在较宽的低频范围内,均高于质量定律所限定的隔声量。揭示了箔状声学超材料具有超常的等效质量密度。其隔声曲线上,隔声峰的形成机理是由于在局域共振频率处的等效质量密度为无穷大,从而将声波全部反射;而形成隔声谷的原因是等效质量密度为零,声波能彻底的透过去。  4、研究了压电分流型板状声学超材料和压电分流型箔状声学超材料隔声特性的调控规律及展宽方法。在调控规律方面,研究了声波的入射角度、声学超材料的结构参数以及分流电路的电学参数对隔声特性的影响规律。在展宽方法方面,提出通过引入负电容电路、多模态电路以及多种元胞的设计,可以优化隔声性能。研究工作为压电分流型声学超材料的设计应用提供了重要的依据。  总之,本文在装备舱室噪声控制需求牵引下,以轻质低频隔声为目的,将压电分流型声学超材料应用于隔声设计。研究了压电分流型声学超材料的隔声特性计算方法;分析了压电分流型声学超材料的隔声性能,发现这种声学超材料具有优异的隔声性能;系统深入地揭示了隔声机理和调控规律;最后提出了三种隔声特性展宽方法。本文的研究工作为轻质低频隔声提供了新的思路和理论支撑,同时对推动超材料技术的应用具有重要意义。
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