螺旋盘绕型声学超材料的设计和性能分析

发布时间：2020-04-25 13:22

【摘要】：低频噪声广泛存在于日常生活和军事领域,对人体健康、生产生活和军事活动产生各种负面影响。受质量定律的限制,传统隔声材料对低频噪声无法达到令人满意的隔声效果。声学超材料因其亚波长和负等效参数特性,为低频降噪提供了新的解决途径。盘绕型声学超材料是一类通过折叠空间以获得较高折射率的声学超材料,其特殊的结构特点决定了材料具有低耗散、较强的吸声性能和很好的各向同性响应等优点。然而,现有的盘绕型声学超材料大多沿用了“之”字型的设计方法,且关于盘绕型声学超材料声学性能的研究,大部分还集中某单一声学性能。为了丰富盘绕型声学超材料的设计方法,构造具有多种优异声学性能的盘绕型声学超材料,本文提出了一种螺旋对称的盘绕型声学超材料单胞结构,基于声学基础和有限元理论建立了声学超材料的声场有限元模型,并在此基础上开展了螺旋盘绕型声学超材料的隔声性能和等效零质量性能分析研究。论文的主要研究工作如下:(1)声学超材料的声场有限元建模以声学理论和有限元为基础,在多物理场软件COMSOL Multiphysic中建立了声学超材料的声场有限元模型;比较了几种计算声学超材料带隙的常用方法,并选择有限元法作为分析螺旋盘绕型声学超材料的基本方法。(2)螺旋盘绕型声学超材料的设计介绍了盘绕型声学超材料的设计原理,并详细阐述了螺旋盘绕型声学超材料的设计方法,总结了螺旋盘绕型声学超材料的优点;给出了透射反射系数反演法求解声学超材料等效介质参数的理论推导,计算了螺旋盘绕型声学超材料单胞的等效参数;证明了单胞单级共振引起负的体积模量,双级共振导致了负的质量密度。(3)螺旋盘绕型声学超材料的隔声性能分析以波导管中声压传递函数表征螺旋盘绕型声学超材料单胞的隔声性能,基于等效介质理论和模态理论解释了单胞具有超强隔声性能的原因;通过单胞参数化分析,总结了单胞共振隔声频率的变化规律;在单胞在波导管中位置和角度发生小幅变化的情况下,分析了螺旋盘绕型声学超材料的隔声鲁棒性。(4)螺旋盘绕型声学超材料的等效零质量性能分析等效零质量性能是声学超材料在等效零质量密度频率下保持声波幅值和相位不变的特殊传输性能。基于带隙和等效介质参数计算,确定了螺旋盘绕型声学超材料的等效零质量密度频率。在此基础上,通过适当的布置,实现了螺旋盘绕型声学超材料的等效零质量性能,包括声隐身、声通道、声学逻辑电路等。本文以声学理论和有限元为基础,建立了螺旋盘绕型声学超材料的声场有限元模型,总结了螺旋盘绕型声学超材料结构的优点。结合等效介质理论和带隙理论,分析了螺旋盘绕型声学超材料的隔声性能和等效零质量性能。仿真结果表明,螺旋盘绕型声学超材料在低频降噪和高性能声学器件中具有良好的应用前景。
【图文】：

a）盘绕型声学超材料单胞结构 b）等效介质模型图 1.4 盘绕型声学超材料14 年，Xu 等人沿用了 Liang 的设计思路，在空气声学通道上加入]。如图 1.5（a）所示，上下各 15 个盘绕次数不同的结构加载在空 。 盘 绕 因 子 为 F 2 L/2(d w)， 声 波 在 “ 之 ” 字 形 传 播 的2 ( d w)。其中 d 和 w分别为空气和硬质材料的厚度（图 1.5（b）道下侧，盘绕因子从左往右逐渐增大；空气声通道上侧，盘绕因子增大。“之”字形盘绕结构等效为图 1.5（c）的等效介质，其等效，数值上接近 8（图 1.5（d））。当平面波从空气声学通道左侧入道右侧测量其传输系数，就会发现很多很密集的全反射频率点。这点分别对应上述 30 个不同盘绕因子的结构。较小盘绕因子对应的是频率点，较大盘绕因子对应的是较小的全反射频率点。每一个盘绕能够过滤一个频率隔声点。通过设计不同大小的盘绕因子的结构，噪声频率进行滤波。这证明盘绕型声学结构能广泛应用于不同频率

可滤波的盘绕结构
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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本文编号：2640299