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内置谐振器的轻薄宽频吸声器结构设计与分析

应用声学 2024年第2期43卷 359-366页

作者：李贺铭吴锦武兰晓乾孙海航南昌航空大学飞行器工程学院南昌330063

微穿孔板吸声器的吸声频带相较于亥姆霍兹谐振器更宽,但其低频吸声的实现需要较大的空气背腔,难以应用在空间有限的场合。该文设计了一种轻薄吸声降噪结构(内置亥姆霍兹谐振器的微穿孔板吸声器,简称MPPHR),将微穿孔板吸声器与亥姆霍兹... 详细信息

微穿孔板吸声器的吸声频带相较于亥姆霍兹谐振器更宽,但其低频吸声的实现需要较大的空气背腔,难以应用在空间有限的场合。该文设计了一种轻薄吸声降噪结构(内置亥姆霍兹谐振器的微穿孔板吸声器,简称MPPHR),将微穿孔板吸声器与亥姆霍兹谐振器进行了结合,提升吸声器的低频吸声性能的同时兼具了微穿孔板宽带吸声的优点。首先基于微穿孔板和亥姆霍兹谐振理论建立了等效电路模型并计算了结构的声阻抗。然后通过有限元对MPPHR的吸声特性进行了参数研究。最后验证了MPPHR的声阻抗模型和有限元仿真的准确性。研究结果表明:MPPHR结构拥有更宽吸声频带,厚度仅为30 mm的MPPHR的半吸收频带可达1294 Hz,相较于同等厚度下的微穿孔板吸声器宽约500 Hz。此外,MPPHR拥有更好的低频吸声效率。

关键词：微穿孔板亥姆霍兹谐振器宽频吸声

声学超材料和亥姆霍兹共振结构的自供能传感器

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机械科学与技术 2024年第1期43卷 110-116页

作者：马珂婧陈虎越张文明上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海交通大学密西根联合学院上海200240

随着物联网的发展,自供能声学传感器得到了广泛关注。然而,压电传感器的灵敏度等关键指标难以进一步提升。声学超材料能以传统材料无法实现的方式操控声波,为新型声学传感器的设计提供了新思路。本文设计了一种声学超材料和亥姆霍兹谐... 详细信息

随着物联网的发展,自供能声学传感器得到了广泛关注。然而,压电传感器的灵敏度等关键指标难以进一步提升。声学超材料能以传统材料无法实现的方式操控声波,为新型声学传感器的设计提供了新思路。本文设计了一种声学超材料和亥姆霍兹谐振结构的自供能声学传感器,并验证了具有缺陷的声学超材料能够聚焦声能;此外,亥姆霍兹谐振器能将聚焦在声学超材料缺陷处的能量进一步放大,传输比超过40 mV/Pa,能满足小型传感器的自供能需求。实验结果表明:与仅有局部缺陷的声学超材料传感器相比,基于亥姆霍兹谐振器的声学超材料传感器具有更高的灵敏度和信噪比。

关键词：声学超材料亥姆霍兹谐振器声学传感器

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基于超表面的声波调控研究

基于超表面的声波调控研究

作者：景双飞南京航空航天大学

学位级别：硕士

声学超表面(AMSs)是一种具有亚波长厚度的人工表面,和传统材料的调控机制不同,它实质是通过独特的单元设计改变相位的分布,从而实现对声波的高效调控。本论文采用理论计算和数值仿真相结合的方法,设计了几种新型声超表面,并验证了其对... 详细信息

声学超表面(AMSs)是一种具有亚波长厚度的人工表面,和传统材料的调控机制不同,它实质是通过独特的单元设计改变相位的分布,从而实现对声波的高效调控。本论文采用理论计算和数值仿真相结合的方法,设计了几种新型声超表面,并验证了其对声波的调控及其应用。本文主要研究工作如下:(1)基于费马原理,给出了二维和三维情况下广义斯涅尔定律的推导过程。广义斯涅尔定律是本论文研究透射和反射超表面声波调控的理论基础。(2)提出了一种基于膜-HR(亥姆霍兹谐振器)的新型的梯度透射声学超表面,其单元由四个横向串联排布的膜-HR谐振器和一个具有可调宽度的直管混合组成。首先通过遗传算法优化四个亥姆霍兹谐振器的宽度,实现全相位离散分布,并且获得匹配的阻抗以达到超高的透射率。然后利用仿真软件对该超表面进行一系列波阵面处理。(3)提出了一种基于双亥姆霍兹谐振器结构的新型梯度透射声学超表面。首先对三种不同结构类型的双亥姆霍兹谐振器的谐振性能展开了分析和讨论。然后基于上述研究设计了一种新型的梯度声学超表面来用于宽带波前处理。其单元由四个横向串联排布的双亥姆霍兹谐振器和一个可调直管组成。最后利用仿真软件模拟了超表面发生异常折射的情况,验证了该梯度声学超表面具有良好的声波调控作用。(4)设计了两种基于凹槽结构的声学超表面隐身斗篷。这种声学隐形斗篷背后的核心思想是通过局部相位调制进行相位补偿。对超表面斗篷对目标物体的隐身效应进行了数值计算和仿真模拟,验证了该声学斗篷具备良好的隐身性能。

关键词：声超材料声超表面声波调控广义斯涅尔定律亥姆霍兹谐振器异常折射声超表面斗篷

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高幅值低频宽带声能采集器设计及实验研究

高幅值低频宽带声能采集器设计及实验研究

作者：叶旭湖南大学

学位级别：硕士

电池作为目前微机电系统或无线传感器的主要供电手段,存在寿命有限,复杂地区维护更换成本高等问题,而能量采集器则可以实现电子设备的能量自供给、减轻扩展能源需求。声能作为一种极具潜力的新能源,广泛存在于环境中,具有节能环保的特... 详细信息

电池作为目前微机电系统或无线传感器的主要供电手段,存在寿命有限,复杂地区维护更换成本高等问题,而能量采集器则可以实现电子设备的能量自供给、减轻扩展能源需求。声能作为一种极具潜力的新能源,广泛存在于环境中,具有节能环保的特点。对声能的采集不仅可以满足低能耗微电子设备的需求,同时还可以降低噪音对环境的污染。然而,由于声能存在能量密度极低、频率组成复杂等缺点,需要对入射声波进行宽频声压增益才能够有效满足微机电设备的能量需要。为提高声源在宽带内的声压增益,本文先后提出基于双腔亥姆霍兹谐振器和基于双缺陷态声学超材料的宽频声能采集器,以实现对入射声波的宽频声压增益作用和声机电能转换。本文的主要研究内容有:(1)提出一种基于亥姆霍兹谐振器的宽频声能采集器。结合双腔亥姆霍兹谐振器的双频声压增益和非线性能量采集系统实现对宽频声能的采集。建立声能采集系统的理论模型,通过数值计算和仿真分析,对双腔与能量转换机构的频率进行匹配设计。设计搭建声能采集测试实验台,研究非线性要素与能量采集器系统的输出响应特性的关系,并进一步探究亥姆霍兹谐振器和和非线性系统匹配关系对能量采集器系统的输出响应特性的影响,通过负载适配获得声能采集器的最佳功率。(2)提出一种双缺陷薄膜型声学超材料的设计方法。通过对称破缺法构造出双负声学超材料。研究对称破缺对各振动模态特性的影响。通过在双带隙声学超材料中引入缺陷谐振器的方法,构造声学超材料缺陷态,形成具有宽频能量聚集效果的声学超材料。仿真计算该声学超材料的能带结构和表面振动特性,研究声学超材料的基本特性,并对其结构进行优化。设计搭建测试实验台,对薄膜声学超材料的表面振动情况进行测试验证。(3)提出一种基于双缺陷声学超材料的宽频声能采集器。利用磁作用将声学超材料和压电换能器耦合起来。设计搭建声能采集器测试实验台,探究声能采集器在缺陷态频率的响应特性,分析缺陷态的响应增益特性,研究磁作用对声能采集器响应特性的影响,并进一步研究声能采集器的扫频响应特性。

关键词：声能采集器宽频亥姆霍兹谐振器声学超材料声波局域化效应

The Research of Sound Energy Harvesters based on Helmholtz Resonator and Acoustic Metamaterial

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The Research of Sound Energy Harvesters based on Helmholtz R...

作者： Felicien Terence Ruddy GREDIBERT BIDA 湖南大学

学位级别：硕士

声能采集是低功率设备供电的有效方案之一,作为符合环保标准的可再生能源的一部分,声能一旦转化为电能,就可用于为低功率设备供电。虽然在我们的环境中分布着大量的声能,但这种能量的密度很低,给其回收和转换带来了挑战。基于此,本论文... 详细信息

声能采集是低功率设备供电的有效方案之一,作为符合环保标准的可再生能源的一部分,声能一旦转化为电能,就可用于为低功率设备供电。虽然在我们的环境中分布着大量的声能,但这种能量的密度很低,给其回收和转换带来了挑战。基于此,本论文分别研究了基于亥姆霍兹腔和声学超材料的声能放大采集方案,用于改善声能到电能的回收和转换效果。研究了基于亥姆霍兹谐振腔的声能采集器。首先在Solid Works下设计了由锥形腔、压电板、永磁体和线圈构成的亥姆霍兹谐振腔声能采集器,该结构可以同时在压电板和线圈两处采集声能。然后在建模软件COMSOL Multiphysics下进行有限元仿真,研究了亥姆霍兹谐振腔的声压放大效果。分析了不同亥姆霍兹谐振腔结构参数对声能采集的影响。研究结果表明:两个不同结构参数的锥形腔亥姆霍兹收集器在1 Pa压力(90d B)下的共振频率分别为1634 Hz和1745 Hz,各自锥形腔内的声压放大分别达到192 d B SPL和189 d B SPL,实现了声能的有效放大。两种不同结构参数的亥姆霍兹谐振腔声能采集器分别通过压电片和永磁体获得了22 m W、48 m W和18 m W、36 m W的功率。研究了基于声学超材料的声能采集器。首先对比分析圆柱、三角形和方形晶胞对声学超材料声能放大效果的影响。圆柱形晶胞的声学超材料获得了595Hz-756Hz,宽度为161 Hz的带隙,三角形晶胞获得了555 Hz-700 Hz,宽度为145Hz的带隙,方形晶胞的声学超材料获得了584Hz-748 Hz,宽度为164 Hz的带隙。然后,基于宽频采集的需求,选择方形晶胞构造声学超材料板,进行了声能放大效果仿真,结果表明,方形晶胞构成的声学超材料能够有效的实现声能在中间区域的聚集和放大。

关键词：声能采集亥姆霍兹谐振器声学超材料