多孔膜腔耦合式声学超材料设计及其吸声性能研究
发布时间：2021-02-04 03:05
声学超材料是一种具有天然媒质所不具备的超常声波传播特性的人工复合结构或复合媒质,对低频声波有较好的调控效果。本文在大量调研已有声学超材料的基础上,以低频和宽带吸声为目标,设计了一种由膜腔共振器（由薄膜、格栅及背腔组成）与外部环绕的多孔材料组成的新式声学超材料,并通过对膜腔共振器单元的调控与组合优化其声学性能。模型建立部分基于有限元方法建立了声学超材料在压力声学、热粘性声学及固体力学域之间的多物理的耦合模型,并引入声学参数（吸声系数、反射系数、透射系数）的概念用于衡量声学系统的性能。通过薄膜振动形态及声速分布将能量耗散可视化,对入射声波在声学超材料中各组件中的耗散进行研究,得到声学超材料中能量的传递转化规律。基于等效介质原理提取声学超材料的等效质量密度及等效体积模量,计算声学超材料在入射平面的声阻抗,并在复频率平面图中绘制出反射系数的零点与极点,证实声学超材料在低频波段的完美吸收效果。在已建立的有限元模型及能量分析方法的基础上,对声学超材料单元各组件进行参数化研究。分别研究了薄膜膜厚、格栅尺寸及背腔结构（分层式、平行隔板式、螺旋式）对声学超材料声学性能的影响。以低频吸声为目标,对比分析了...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
亥姆霍兹共振器[7]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-展。空间盘绕的概念由Li等人[10]首先提出。这种结构由如图1-2所示的弯曲通道组成，改变单元尺寸或通道几何参数就可以在较小的尺寸内改变延迟声波的传播相位。由于其优越的调控性能，这种空间盘绕超材料最初被用于模拟具有任意大折射率和相当高的透射效率的声梯度折射率透镜。图1-2空间盘绕声学超材料原理[10]空间盘绕的概念使得庞大的声学系统可以被压缩到亚波长尺寸，从而减小系统的整体厚度。这种思想与不改变亥姆霍兹共振腔整体尺寸而提高其低频声学性能的需求不谋而合，促进了空间盘绕超材料在吸声领域的应用。Cai等人[11]通过将细长的等径法布里佩罗共振腔盘绕成圆盘型，实现了对400Hz附近的低频声波完美吸收的效果。Li等人[12]则将等径盘绕的背腔与穿孔盖板结合，使得总厚度仅有13mm的声学系统实现了在125Hz的低频完美吸收，其厚度仅为共振频率处声波波长的1/223。与之类似，Wang等人[13]也通过盘绕背腔与穿孔板的结合实现了低频吸声，并证明了较大的空间卷曲通道折叠数可以在不牺牲吸收峰总厚度的前提下显著降低吸收峰频率，如图1-3所示。虽然空间盘绕结构使得共振腔式声学超材料突破了四分之一波长的限制，得以实现小尺寸调控大波长，其共振频率单一的特点却限制了腔式声学超材料的进一步发展。图1-3空间盘绕声学超材料应用[12,13]等径盘绕的腔式声学超材料往往只在共振频率点处出现一窄而高的吸收峰，而对非共振频率的声波几乎不纯在吸收作用。为了突破这种窄带吸收的限制，学者们尝试提出了不等截面的盘绕腔。Chen等人[14]将两段不等径的法布里佩罗共振腔串联拼接，并盘绕成圆盘状。两段细长腔分别在各自的共振频率达到了完美吸收，其展现出的整体效果如图1-4所示。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-展。空间盘绕的概念由Li等人[10]首先提出。这种结构由如图1-2所示的弯曲通道组成，改变单元尺寸或通道几何参数就可以在较小的尺寸内改变延迟声波的传播相位。由于其优越的调控性能，这种空间盘绕超材料最初被用于模拟具有任意大折射率和相当高的透射效率的声梯度折射率透镜。图1-2空间盘绕声学超材料原理[10]空间盘绕的概念使得庞大的声学系统可以被压缩到亚波长尺寸，从而减小系统的整体厚度。这种思想与不改变亥姆霍兹共振腔整体尺寸而提高其低频声学性能的需求不谋而合，促进了空间盘绕超材料在吸声领域的应用。Cai等人[11]通过将细长的等径法布里佩罗共振腔盘绕成圆盘型，实现了对400Hz附近的低频声波完美吸收的效果。Li等人[12]则将等径盘绕的背腔与穿孔盖板结合，使得总厚度仅有13mm的声学系统实现了在125Hz的低频完美吸收，其厚度仅为共振频率处声波波长的1/223。与之类似，Wang等人[13]也通过盘绕背腔与穿孔板的结合实现了低频吸声，并证明了较大的空间卷曲通道折叠数可以在不牺牲吸收峰总厚度的前提下显著降低吸收峰频率，如图1-3所示。虽然空间盘绕结构使得共振腔式声学超材料突破了四分之一波长的限制，得以实现小尺寸调控大波长，其共振频率单一的特点却限制了腔式声学超材料的进一步发展。图1-3空间盘绕声学超材料应用[12,13]等径盘绕的腔式声学超材料往往只在共振频率点处出现一窄而高的吸收峰，而对非共振频率的声波几乎不纯在吸收作用。为了突破这种窄带吸收的限制，学者们尝试提出了不等截面的盘绕腔。Chen等人[14]将两段不等径的法布里佩罗共振腔串联拼接，并盘绕成圆盘状。两段细长腔分别在各自的共振频率达到了完美吸收，其展现出的整体效果如图1-4所示。
本文编号：3017615
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
亥姆霍兹共振器[7]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-展。空间盘绕的概念由Li等人[10]首先提出。这种结构由如图1-2所示的弯曲通道组成，改变单元尺寸或通道几何参数就可以在较小的尺寸内改变延迟声波的传播相位。由于其优越的调控性能，这种空间盘绕超材料最初被用于模拟具有任意大折射率和相当高的透射效率的声梯度折射率透镜。图1-2空间盘绕声学超材料原理[10]空间盘绕的概念使得庞大的声学系统可以被压缩到亚波长尺寸，从而减小系统的整体厚度。这种思想与不改变亥姆霍兹共振腔整体尺寸而提高其低频声学性能的需求不谋而合，促进了空间盘绕超材料在吸声领域的应用。Cai等人[11]通过将细长的等径法布里佩罗共振腔盘绕成圆盘型，实现了对400Hz附近的低频声波完美吸收的效果。Li等人[12]则将等径盘绕的背腔与穿孔盖板结合，使得总厚度仅有13mm的声学系统实现了在125Hz的低频完美吸收，其厚度仅为共振频率处声波波长的1/223。与之类似，Wang等人[13]也通过盘绕背腔与穿孔板的结合实现了低频吸声，并证明了较大的空间卷曲通道折叠数可以在不牺牲吸收峰总厚度的前提下显著降低吸收峰频率，如图1-3所示。虽然空间盘绕结构使得共振腔式声学超材料突破了四分之一波长的限制，得以实现小尺寸调控大波长，其共振频率单一的特点却限制了腔式声学超材料的进一步发展。图1-3空间盘绕声学超材料应用[12,13]等径盘绕的腔式声学超材料往往只在共振频率点处出现一窄而高的吸收峰，而对非共振频率的声波几乎不纯在吸收作用。为了突破这种窄带吸收的限制，学者们尝试提出了不等截面的盘绕腔。Chen等人[14]将两段不等径的法布里佩罗共振腔串联拼接，并盘绕成圆盘状。两段细长腔分别在各自的共振频率达到了完美吸收，其展现出的整体效果如图1-4所示。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-展。空间盘绕的概念由Li等人[10]首先提出。这种结构由如图1-2所示的弯曲通道组成，改变单元尺寸或通道几何参数就可以在较小的尺寸内改变延迟声波的传播相位。由于其优越的调控性能，这种空间盘绕超材料最初被用于模拟具有任意大折射率和相当高的透射效率的声梯度折射率透镜。图1-2空间盘绕声学超材料原理[10]空间盘绕的概念使得庞大的声学系统可以被压缩到亚波长尺寸，从而减小系统的整体厚度。这种思想与不改变亥姆霍兹共振腔整体尺寸而提高其低频声学性能的需求不谋而合，促进了空间盘绕超材料在吸声领域的应用。Cai等人[11]通过将细长的等径法布里佩罗共振腔盘绕成圆盘型，实现了对400Hz附近的低频声波完美吸收的效果。Li等人[12]则将等径盘绕的背腔与穿孔盖板结合，使得总厚度仅有13mm的声学系统实现了在125Hz的低频完美吸收，其厚度仅为共振频率处声波波长的1/223。与之类似，Wang等人[13]也通过盘绕背腔与穿孔板的结合实现了低频吸声，并证明了较大的空间卷曲通道折叠数可以在不牺牲吸收峰总厚度的前提下显著降低吸收峰频率，如图1-3所示。虽然空间盘绕结构使得共振腔式声学超材料突破了四分之一波长的限制，得以实现小尺寸调控大波长，其共振频率单一的特点却限制了腔式声学超材料的进一步发展。图1-3空间盘绕声学超材料应用[12,13]等径盘绕的腔式声学超材料往往只在共振频率点处出现一窄而高的吸收峰，而对非共振频率的声波几乎不纯在吸收作用。为了突破这种窄带吸收的限制，学者们尝试提出了不等截面的盘绕腔。Chen等人[14]将两段不等径的法布里佩罗共振腔串联拼接，并盘绕成圆盘状。两段细长腔分别在各自的共振频率达到了完美吸收，其展现出的整体效果如图1-4所示。
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