薄膜型声学超表面设计与可调节性研究
发布时间：2021-04-18 23:36
当传播的声波经过障碍物时,会发生反射、透射和能量损耗等一系列过程而导致声能降低,我们称这个过程为隔声。由于质量定律的作用,传统材料对于低频噪声的隔绝非常困难,而声学超材料打破了质量定律的限制,实现了小尺寸控制大波长,能够有效控制低频声波。本文以薄膜声学超材料（由薄膜和质量块构成）为研究对象,对其隔声机理进行分析,从声波的传播原理、隔声评价机制和薄膜振动等方面进行研究。通过仿真分析研究不同参数对薄膜声学超材料隔声性能的影响。对薄膜大小和预应力进行仿真实验研究,发现薄膜尺寸大小对隔声效果影响显著,尺度效应明显,得到了规律性成果。对于薄膜型声学超材料的尺度效应进行进一步研究,通过减小薄膜大小实现低宽频声波的吸收。鉴于圆形薄膜不利于紧密排列,进行了多边形薄膜设计研究,并重点对六边形蜂窝结构薄膜声学超材料进行了研究。提出一种新型的薄膜型声学超表面,提高低频宽频的隔声效果。对新型声学超表面内外径比进行分析,进行仿真计算,提出相应的实验方案做出验证分析。仿真结果与实验对比,拟合良好,验证结论准确性,具有工程应用意义。本文对进一步提升薄膜型声学超材料的隔声带宽方面进行了研究,提出了一种叠层薄膜型声学超...
【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】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
弹簧振子模型[4]
3Yang等人[6]利用成对的薄膜结构制造了一种具有双负特性的声学超材料(如图1-3(a)所示)，由于此超材料在结构上具有强对称性，使得结构产生能够独立调节的偶级共振与单级共振，实现宽频双负特性。在长波长状态下，整个结构的均质化假设成立。将试件表面的位移场作为输入变量，利用有效质量密度和有效体积模量准确表征此声学超材料，在频率为520Hz~830Hz时此结构的双负特性得以实现。由于薄膜型声学超材料的结构一般为薄膜附着质量块的形式，众多学者对这种模型进行了深入分析。Tian等人[7]建立了圆形薄膜-环形质量的局域共振型声学超材料的理论模型(如图1-3(b)所示)。提出一种解析方法研究结构的隔声量。当环形质量块的内半径减小到零时，这个模型与方法也适用于圆形薄膜-中心质量结构，经对比，理论分析结果与有限元模拟结果吻合良好。作者还分析了薄膜-环形质量结构的材料参数与几何参数对隔声效果的影响，通过调整环形质量的位置﹑表面密度和环形质量的数目使得此结构出现多波峰隔声曲线﹑隔声量增大以及隔声频带加宽。图1-3（a）Yang等人设计的具有双负特性的薄膜型声学超材料[6]（b）Tian等人设计的圆形薄膜附件环形质量块的声学超材料[7]B.声学超表面研究现状声学超表面（AMS）是声学超材料的一个重要的分支和新兴研究方向。声学超表面具有小尺寸调控大波长、易于集成、对声波操控能力强等特点，引起了众多学者的研究兴趣。Li等[8]实现了宽带反射相位编辑，(如图1-4所示)并且通过异常反射实现了在背景上保持惠更斯表面的相位保持的宽带不可见性。这个表面使用不对称双亥姆霍兹共振器达到预定的色散关系目标值。（b）
4图1-4Li等实现的宽带反射相位编辑[8]Gong等[9]提出了一种基于原始梯度亥姆霍兹共振器（HR）的声学表面。可以在整个相位范围内精确控制AMS单元的相移，并通过改变狭缝宽度来连续调节。Gong通过设计的AMS实现了具有不同聚焦参数的声学聚焦的几种典型情况。Ji等[10]提出并研究了基于凹槽结构单元的3D声学表面地毯斗篷（AMCC）。这种声学不可见性背后的关键思想是通过局部相位调制进行相位补偿，因此可以为具有任意几何形状和尺寸的物体设计厚度仅为半波长的斗篷。Liu等[11]设计了一种具有亚波长厚度的水声声学表面，用于声波波前处理。采用了五进制晶格和频率无关的广义声学Snell定律，克服了窄带宽和低透射率的局限性。VKyrimi等[12]研究了在铌酸锂上传播的瑞利波与由方形阵列的螺旋状垂直振荡器组成的超曲面的相互作用(如图1-5所示)。图1-5超曲面示意图[12]Chen等[13]提议声学超曲面的综合范式，将波操纵扩展到无论是远场还是近场，通过简单的结构，由一排深亚波长间隔狭缝组成板。这种设计的半解析方法是用显微镜耦合波模型表明，每个狭缝出口处的声衍射图样是耦合场与其
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究[J]. 贺子厚,赵静波,姚宏,蒋娟娜,陈鑫. 物理学报. 2019(13)
[2]非对称双层薄膜型局域共振声子晶体低频隔声性能研究[J]. 蔡梦娜,田红艳,郄彦辉. 噪声与振动控制. 2019(02)
[3]Manipulation of acoustic wavefront by transmissive metasurface based on pentamode metamaterials[J]. 刘颖,李义丰,刘晓宙. Chinese Physics B. 2019(02)
[4]声学超表面研究及应用进展[J]. 许卫锴,张蒙,王伟. 功能材料. 2017(11)
[5]声学超构表面[J]. 李勇. 物理. 2017(11)
[6]环形局域共振弹性膜结构低频隔声特性分析[J]. 张佳龙,姚宏,杜军,孙悦,孙嫣然,谭婧,张秀瑜. 硅酸盐通报. 2017(01)
[7]薄膜低频隔声性能的张力依赖性[J]. 张炜权,吴九汇,马富银,陈喆. 振动工程学报. 2016(04)
硕士论文
[1]声学超表面低频噪声控制研究[D]. 刘继宾.中北大学 2019
[2]声学超表面对声波调控的研究[D]. 韩理想.广东工业大学 2018
[3]基于声学超材料的声屏障与隔声管道的研究[D]. 张海龙.南京大学 2018
[4]基于声学超表面的复合型声阵列研究[D]. 李晓言.南京大学 2018
[5]声学材料隔声量测量系统的研究[D]. 董明磊.上海交通大学 2008
本文编号：3146382
【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】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
弹簧振子模型[4]
3Yang等人[6]利用成对的薄膜结构制造了一种具有双负特性的声学超材料(如图1-3(a)所示)，由于此超材料在结构上具有强对称性，使得结构产生能够独立调节的偶级共振与单级共振，实现宽频双负特性。在长波长状态下，整个结构的均质化假设成立。将试件表面的位移场作为输入变量，利用有效质量密度和有效体积模量准确表征此声学超材料，在频率为520Hz~830Hz时此结构的双负特性得以实现。由于薄膜型声学超材料的结构一般为薄膜附着质量块的形式，众多学者对这种模型进行了深入分析。Tian等人[7]建立了圆形薄膜-环形质量的局域共振型声学超材料的理论模型(如图1-3(b)所示)。提出一种解析方法研究结构的隔声量。当环形质量块的内半径减小到零时，这个模型与方法也适用于圆形薄膜-中心质量结构，经对比，理论分析结果与有限元模拟结果吻合良好。作者还分析了薄膜-环形质量结构的材料参数与几何参数对隔声效果的影响，通过调整环形质量的位置﹑表面密度和环形质量的数目使得此结构出现多波峰隔声曲线﹑隔声量增大以及隔声频带加宽。图1-3（a）Yang等人设计的具有双负特性的薄膜型声学超材料[6]（b）Tian等人设计的圆形薄膜附件环形质量块的声学超材料[7]B.声学超表面研究现状声学超表面（AMS）是声学超材料的一个重要的分支和新兴研究方向。声学超表面具有小尺寸调控大波长、易于集成、对声波操控能力强等特点，引起了众多学者的研究兴趣。Li等[8]实现了宽带反射相位编辑，(如图1-4所示)并且通过异常反射实现了在背景上保持惠更斯表面的相位保持的宽带不可见性。这个表面使用不对称双亥姆霍兹共振器达到预定的色散关系目标值。（b）
4图1-4Li等实现的宽带反射相位编辑[8]Gong等[9]提出了一种基于原始梯度亥姆霍兹共振器（HR）的声学表面。可以在整个相位范围内精确控制AMS单元的相移，并通过改变狭缝宽度来连续调节。Gong通过设计的AMS实现了具有不同聚焦参数的声学聚焦的几种典型情况。Ji等[10]提出并研究了基于凹槽结构单元的3D声学表面地毯斗篷（AMCC）。这种声学不可见性背后的关键思想是通过局部相位调制进行相位补偿，因此可以为具有任意几何形状和尺寸的物体设计厚度仅为半波长的斗篷。Liu等[11]设计了一种具有亚波长厚度的水声声学表面，用于声波波前处理。采用了五进制晶格和频率无关的广义声学Snell定律，克服了窄带宽和低透射率的局限性。VKyrimi等[12]研究了在铌酸锂上传播的瑞利波与由方形阵列的螺旋状垂直振荡器组成的超曲面的相互作用(如图1-5所示)。图1-5超曲面示意图[12]Chen等[13]提议声学超曲面的综合范式，将波操纵扩展到无论是远场还是近场，通过简单的结构，由一排深亚波长间隔狭缝组成板。这种设计的半解析方法是用显微镜耦合波模型表明，每个狭缝出口处的声衍射图样是耦合场与其
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究[J]. 贺子厚,赵静波,姚宏,蒋娟娜,陈鑫. 物理学报. 2019(13)
[2]非对称双层薄膜型局域共振声子晶体低频隔声性能研究[J]. 蔡梦娜,田红艳,郄彦辉. 噪声与振动控制. 2019(02)
[3]Manipulation of acoustic wavefront by transmissive metasurface based on pentamode metamaterials[J]. 刘颖,李义丰,刘晓宙. Chinese Physics B. 2019(02)
[4]声学超表面研究及应用进展[J]. 许卫锴,张蒙,王伟. 功能材料. 2017(11)
[5]声学超构表面[J]. 李勇. 物理. 2017(11)
[6]环形局域共振弹性膜结构低频隔声特性分析[J]. 张佳龙,姚宏,杜军,孙悦,孙嫣然,谭婧,张秀瑜. 硅酸盐通报. 2017(01)
[7]薄膜低频隔声性能的张力依赖性[J]. 张炜权,吴九汇,马富银,陈喆. 振动工程学报. 2016(04)
硕士论文
[1]声学超表面低频噪声控制研究[D]. 刘继宾.中北大学 2019
[2]声学超表面对声波调控的研究[D]. 韩理想.广东工业大学 2018
[3]基于声学超材料的声屏障与隔声管道的研究[D]. 张海龙.南京大学 2018
[4]基于声学超表面的复合型声阵列研究[D]. 李晓言.南京大学 2018
[5]声学材料隔声量测量系统的研究[D]. 董明磊.上海交通大学 2008
本文编号：3146382
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