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亚波长复合结构的低频宽带吸声性能研究

亚波长复合结构的低频宽带吸声性能研究

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作者：柯艺波贵州大学

学位级别：硕士

无论空气中的还是水下的低频噪声的波长都较长,传统材料对其调控会带来的体积大、重量大、成本高等问题,导致无法满足实际应用的需求。近年来,由于超材料、结构具有良好的低频吸声特性得到了广泛关注和快速发展,超材料是一种人工微结构... 详细信息

无论空气中的还是水下的低频噪声的波长都较长,传统材料对其调控会带来的体积大、重量大、成本高等问题,导致无法满足实际应用的需求。近年来,由于超材料、结构具有良好的低频吸声特性得到了广泛关注和快速发展,超材料是一种人工微结构材料,它的性质不仅与基础材料有关,更依赖于材料单元结构及其排布方式,具有传统材料不具备的奇异特性。与传统材料相比,超材料、结构具有更小的结构尺寸和更高的能量耗散率,为低频振动与噪声控制提供了新的思路。本文基于亚波长复合结构对空气中的和水下的低频宽带声吸收进行研究,主要利用了理论解析、数值分析和实验验证等方法。具体如下:1)基于多孔材料与FP(Fabry-Pérot)通道提出了亚波长复合吸声结构,兼顾低频和宽带的良好吸声,平均吸声系数达90%。建立了该复合吸声结构的压力-热黏性声学数值分析模型,阻抗管实验验证了吸声特性。基于有限元分析方法,讨论了复合吸声结构的参数对吸声性能的影响,并与其他复合结构进行吸声性能对比。结果表明该复合吸声结构在空气的噪声控制领域中有一定的应用价值。2)基于方孔的穿孔板提出了一种等效理论阻抗计算,对设计的穿孔板和折叠通道耦合吸声结构完成了理论分析和数值分析,以及阻抗管实验验证,分析得出声能的耗散主要来源于狭窄区域处的摩擦效应和折叠通道内的黏热转换;对反射系数零极点分析表明,零点与实轴的距离、零极点的间距分别对吸声峰值和吸声带宽产生影响;对相对特性阻抗的分析表明,实部接近于1和虚部接近于0能更好的对声能进行耗散。由此设计的厚度为53mm的亚波长结构,实现了269-541Hz低频范围内的有效吸声(平均吸声系数达0.88),为空气中的低频噪声控制领域带来了较大的应用价值。3)受空气声学超材料的启发,从理论上(传递函数法推导而得)和数值上设计了一种理想的水下吸声超结构,具有良好的低频吸声性能(α>0.8),宽带吸声性能(半吸声带宽达83%)和较强抗变形能力。声学性能的理论预测和数值计算结果吻合良好。分析结果表明,通道内的水域和橡胶域的耦合边界的波形转换是主要的声能耗散方式。通过对结构的主要参数进行参数化讨论,证实了结构具有很强的可调性,由此说明了设计低频宽带吸声超结构的可能性。利用遗传优化算法对超结构主要结构参数进行优化,实现了一种低频(水下吸声超结构,相对调控的低频声波波长,精心空间折叠后的超材料处于深亚波长尺度(λ/106)。该超结构具有很多的优点,在水下噪声控制领域具有巨大的应用价值。

关键词：空气声学超材料水下声学超材料亚波长结构低频宽带吸声吸声机理传递函数理论

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