一种镶嵌薄膜共振型材料的吸声性能研究
发布时间：2021-02-09 01:30
为了解决现有吸声材料对低频噪声衰减弱及吸收差的现状,该文提出了一种镶嵌薄膜共振型材料结构。其中镶嵌到条形薄膜上的结构单元作为拍动体,此时结构单元与背衬薄膜之间存在一定耦合作用,使行波在两部分间的局域共振作用削弱或存在很少反射。通过有限元仿真分析得到吸收峰值下的模态振型,进一步证明了材料的吸声机理。实验表明,该结构对1001 000Hz内的声波具有很好的吸收效果,单层材料结构随着空腔距离的增大,吸收峰提前,而峰值基本不变。两层材料结构的吸声效果远大于单层材料结构,这解决了低频噪声问题。
【文章来源】：压电与声光. 2017,39(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１镶嵌条形薄膜的结构单元
式进行耦合机制的调节。结构单元由金属片与矩形薄膜组成，镶嵌在条形薄膜上的拍动体，厚为１ｍｍ，不同形态的金属片分布在矩形薄膜上，其中镶嵌条形薄膜的结构单元如图１所示。当入射声波对复合吸声结构产生激励时，结构单元存在大幅度的拍击现象，高能量密度聚集在金属片与矩形薄膜边界附近。同时，结构单元背后的硅橡胶薄膜受其拍击作用影响，法向振幅减小，与声波存在微弱的耦合形式。图１镶嵌条形薄膜的结构单元本文采用法向入射的随机白噪声，在吸声材料背后留有一定距离的空腔，声波传播方式如图２所示。图２声波在媒质中的传播方式Ｐｉ＝Ｐｉａｅ－ｊｋｘ（１）Ｐ１ｒ＝Ｐ１ｒａｅ＋ｊｋｘ（２）Ｐ２ｔ＝Ｐ２ｔａｅ－ｊｋｘ（３）Ｐ２ｒ＝Ｐ２ｒａｅ＋ｊｋｘ（４）式中：Ｐｉ与Ｐ２ｔ分别为入射声波与透射声波；Ｐ１ｒ与Ｐ２ｒ为反射声波；ｋ为波矢。考虑到各列波的时间因子都是简谐变化，故因子ｅｊωｔ可略。１．２吸声机理现阶段通过改变传播介质的热传导、粘滞性内摩擦和弛豫作用等形式可造成声波能量的损耗，这３种形式都是在声波传播过程中将声能转化为其他形式的能量［３］。本文提出的薄膜共振型吸声结构是金属片与矩形薄膜形成的结构单元，在声波激励下，受条形薄膜作用，进行垂直方向的平动与绕质心的拍动，通过薄膜材料的弹性波与每个结构单元的共振特性相互作用，可以产生局域共振带隙，从而使薄膜中的行波不能进行传播。为了约束薄膜反共振的波动形式，增强薄膜的共振特性，需要模式耦合将反射声波通过局域共振的方式进行一定程度上的衰减，使结构具有更宽的共振带隙。其
界区域不连续时，易推断出能量密度（积分号内）在这些区域内的数值很大，经过二阶导数和面积分后，薄膜曲率弹性能量更大。２结构单元与复合结构的振型分析２．１结构单元振型分析因为只考虑结构单元在白噪声激励下的模态振型，故将模型进行简化。数值模拟了一个结构单元中金属片与矩形薄膜在ｘＯｙ平面内的法向位移的变化，取图３（ａ）为结构单元的平面图，３（ｂ）～（ｄ）分别为３００Ｈｚ后的第一～三阶固有频率处的位移场的变化（见图４所示的吸声特性曲线）。图３结构单元的位移场分布图４吸声特性曲线图图３（ｂ）～（ｄ）分别对应图４中吸收峰值附近位移场的变化，箭头表示结构单元受条形薄膜作用下的运动情况。由图３（ｂ）可见，一阶固有振型附近处的金属片受入射声波激励影响较小，条形薄膜受声波作用在法线方向上进行大角度的平动和小角度的转动，矩形薄膜边界存在较大形变，高的能量密度分布在矩形薄膜边界。由图３（ｃ）、（ｄ）可见，二、三阶固有振型的结构单元绕质心大幅转动，在６２８Ｈｚ附近，结构单元具有很高的曲率能量密度，在金属片与矩形薄膜之间的细小空间储存着较高的能量密度。２．２复合结构与薄膜单元的振型及位移分析硅橡胶薄膜本身存在一段带隙的吸收峰值。在外界声波激励作用下，薄膜具有共振特性和反共振特性，一部分频带内声波可以完全透过声波，另一部分可以完全反射声波［５］。当四周固支薄膜留有一定距离的背腔时，薄膜受到背腔后空气弹簧的影响，有一定的反作用，此时有较明显的吸收峰值，但平均吸声系数小于０．３。本文介绍的镶嵌薄膜结构采取硬相介质与软相介质相结合的方式，根据局
本文编号：3024824
【文章来源】：压电与声光. 2017,39(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１镶嵌条形薄膜的结构单元
式进行耦合机制的调节。结构单元由金属片与矩形薄膜组成，镶嵌在条形薄膜上的拍动体，厚为１ｍｍ，不同形态的金属片分布在矩形薄膜上，其中镶嵌条形薄膜的结构单元如图１所示。当入射声波对复合吸声结构产生激励时，结构单元存在大幅度的拍击现象，高能量密度聚集在金属片与矩形薄膜边界附近。同时，结构单元背后的硅橡胶薄膜受其拍击作用影响，法向振幅减小，与声波存在微弱的耦合形式。图１镶嵌条形薄膜的结构单元本文采用法向入射的随机白噪声，在吸声材料背后留有一定距离的空腔，声波传播方式如图２所示。图２声波在媒质中的传播方式Ｐｉ＝Ｐｉａｅ－ｊｋｘ（１）Ｐ１ｒ＝Ｐ１ｒａｅ＋ｊｋｘ（２）Ｐ２ｔ＝Ｐ２ｔａｅ－ｊｋｘ（３）Ｐ２ｒ＝Ｐ２ｒａｅ＋ｊｋｘ（４）式中：Ｐｉ与Ｐ２ｔ分别为入射声波与透射声波；Ｐ１ｒ与Ｐ２ｒ为反射声波；ｋ为波矢。考虑到各列波的时间因子都是简谐变化，故因子ｅｊωｔ可略。１．２吸声机理现阶段通过改变传播介质的热传导、粘滞性内摩擦和弛豫作用等形式可造成声波能量的损耗，这３种形式都是在声波传播过程中将声能转化为其他形式的能量［３］。本文提出的薄膜共振型吸声结构是金属片与矩形薄膜形成的结构单元，在声波激励下，受条形薄膜作用，进行垂直方向的平动与绕质心的拍动，通过薄膜材料的弹性波与每个结构单元的共振特性相互作用，可以产生局域共振带隙，从而使薄膜中的行波不能进行传播。为了约束薄膜反共振的波动形式，增强薄膜的共振特性，需要模式耦合将反射声波通过局域共振的方式进行一定程度上的衰减，使结构具有更宽的共振带隙。其
界区域不连续时，易推断出能量密度（积分号内）在这些区域内的数值很大，经过二阶导数和面积分后，薄膜曲率弹性能量更大。２结构单元与复合结构的振型分析２．１结构单元振型分析因为只考虑结构单元在白噪声激励下的模态振型，故将模型进行简化。数值模拟了一个结构单元中金属片与矩形薄膜在ｘＯｙ平面内的法向位移的变化，取图３（ａ）为结构单元的平面图，３（ｂ）～（ｄ）分别为３００Ｈｚ后的第一～三阶固有频率处的位移场的变化（见图４所示的吸声特性曲线）。图３结构单元的位移场分布图４吸声特性曲线图图３（ｂ）～（ｄ）分别对应图４中吸收峰值附近位移场的变化，箭头表示结构单元受条形薄膜作用下的运动情况。由图３（ｂ）可见，一阶固有振型附近处的金属片受入射声波激励影响较小，条形薄膜受声波作用在法线方向上进行大角度的平动和小角度的转动，矩形薄膜边界存在较大形变，高的能量密度分布在矩形薄膜边界。由图３（ｃ）、（ｄ）可见，二、三阶固有振型的结构单元绕质心大幅转动，在６２８Ｈｚ附近，结构单元具有很高的曲率能量密度，在金属片与矩形薄膜之间的细小空间储存着较高的能量密度。２．２复合结构与薄膜单元的振型及位移分析硅橡胶薄膜本身存在一段带隙的吸收峰值。在外界声波激励作用下，薄膜具有共振特性和反共振特性，一部分频带内声波可以完全透过声波，另一部分可以完全反射声波［５］。当四周固支薄膜留有一定距离的背腔时，薄膜受到背腔后空气弹簧的影响，有一定的反作用，此时有较明显的吸收峰值，但平均吸声系数小于０．３。本文介绍的镶嵌薄膜结构采取硬相介质与软相介质相结合的方式，根据局
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