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基于helmholtz共振腔阵列的声学超材料研究

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工程设计学报 2020年第4期27卷 441-447页

作者：张宪旭刘怡然李丽君山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255049

为有效控制特定频段的噪声,基于helmholtz共振腔阵列,通过helmholtz共振腔短管位置的控制,设计了一种新型的局域共振型声学超材料。利用COMSOLMultiphysics软件求得新型声学超材料的能带图和传递损失曲线,并与具有单一方向开口的Helmho... 详细信息

为有效控制特定频段的噪声,基于helmholtz共振腔阵列,通过helmholtz共振腔短管位置的控制,设计了一种新型的局域共振型声学超材料。利用COMSOLMultiphysics软件求得新型声学超材料的能带图和传递损失曲线,并与具有单一方向开口的helmholtz共振腔阵列的传递损失曲线进行对比;同时,为分析新型声学超材料的带隙形成机理,求得了其在带隙频率范围内的声压分布云图。通过试验测试了新型声学超材料的吸声性能。结果表明:新型声学超材料的能带图中产生了2段较窄带隙和1段较宽带隙,在带隙频率范围内,声学超材料传递损失出现峰值;第1带隙和第2带隙较窄,原因是单个helmholtz共振腔局域共振,声波能量消耗少;第3带隙较宽,原因是helmholtz共振腔与其周期排列形成的外部波导联合共振吸声,消耗大量声波能量。试验测试结果与仿真计算结果较为吻合,新型声学超材料可有效控制1300~1500 Hz和1500~2000 Hz频率范围内的噪声。研究结果表明,所设计的新型局域共振型声学超材料可有效实现中低频减振降噪,为声学超材料在中低频的降噪控制研究提供了新的思路。

关键词： helmholtz共振腔声学超材料噪声控制声场测试

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helmholtz共振腔气动噪声数值仿真

计算机辅助工程 2012年第6期21卷 5-10页

作者：王东张学亮李奇同济大学上海地面交通工具风洞中心上海201804 上海海基盛元信息科技有限公司上海200235

为探究出一套完整、准确的气动噪声仿真方法,用FLUENT和Actran仿真helmholtz共振腔旁接管道系统模型.针对流场仿真,采用六面体网格建模,分析选择合适的网格密度,明确网格及边界条件的影响,以获得准确的声源信息;运用Lighthill声类比方... 详细信息

为探究出一套完整、准确的气动噪声仿真方法,用FLUENT和Actran仿真helmholtz共振腔旁接管道系统模型.针对流场仿真,采用六面体网格建模,分析选择合适的网格密度,明确网格及边界条件的影响,以获得准确的声源信息;运用Lighthill声类比方法对声场进行仿真,采用数值计算、传声损失仿真和气动噪声仿真计算等3种方法提取管道内部场点声压级频谱曲线,分析曲线峰值频率特征,包括共振频率分析和声模态分析等.采用CFD软件与声学仿真软件相结合的方法,可以有效进行流场和声场的仿真.

关键词： helmholtz共振腔 Lighthill声类比气动噪声混合算法频谱曲线传声损失声模态

基于helmholtz共振腔的组合结构带隙特性研究

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人工晶体学报 2022年第11期51卷 1836-1844页

作者：唐荣江陆滔琪潘朝远郑伟光庞毅桂林电子科技大学机电工程学院桂林541004 广西科技大学机械与汽车工程学院柳州545006 广西数仿科技有限公司柳州545006

helmholtz共振结构的声屏障在控制道路交通噪声方面具有潜在的应用前景。为有效提高特定频段的噪声控制,本文设计了一种主腔连接4个副腔的helmholtz复合共振腔结构。首先,利用有限元法对共振腔模型进行计算分析,得出共振腔的禁带结构和... 详细信息

helmholtz共振结构的声屏障在控制道路交通噪声方面具有潜在的应用前景。为有效提高特定频段的噪声控制,本文设计了一种主腔连接4个副腔的helmholtz复合共振腔结构。首先,利用有限元法对共振腔模型进行计算分析,得出共振腔的禁带结构和声传播损耗曲线;其次,利用声-电类比法建立了helmholtz共振腔的等效电路,并对带隙的产生机理进行分析;最后,讨论了结构参数对helmholtz共振腔带隙的影响,并分析这些参数对第一带隙下限的影响机理。结果表明:声波在helmholtz共振腔单元间同时存在相互作用和腔内谐振效应,能在晶格常数为60 mm的情况下获得范围为432.43~663.98 Hz的第一带隙,比单、双开口圆环带隙起始频率更低,且大部分频率范围的隔声量达到10 dB以上,最大隔声量超过90 dB,表现出良好的中频隔声特性;等效电路模型与有限元法的计算值的最大误差不超过10%且平均误差低于5%,建立的等效模型是合理的;结构参数对于带隙有较大影响,主要是通过影响共振腔内部气体的体积从而影响带隙。

关键词： helmholtz共振腔噪声控制中频声-电类比法有限元法带隙

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基于helmholtz共振腔的声学超衍射透镜研究

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基于Helmholtz共振腔的声学超衍射透镜研究

作者：李鹤鹤黑龙江大学

学位级别：硕士

作为波本质特性之一的衍射,在高分辨率成像和医学超声诊断与治疗中具有巨大的应用潜力,操纵声波突破衍射极限的一直是人们期待的。声学超构材料作为声学研究领域的最前沿方向之一,能够对波动传输进行有效的调控。因此通过合理的设计亚... 详细信息

作为波本质特性之一的衍射,在高分辨率成像和医学超声诊断与治疗中具有巨大的应用潜力,操纵声波突破衍射极限的一直是人们期待的。声学超构材料作为声学研究领域的最前沿方向之一,能够对波动传输进行有效的调控。因此通过合理的设计亚波长的人工结构对声场进行自由操控,期望得到突破衍射极限的超分辨效果,在声学超分辨成像、医学超声治疗具有广泛的应用潜力。首先本论文介绍声学超构透镜对声场的调控原理。分析组成声学超构透镜单元结构模型,并研究其超构单元结构对声场的调控方式。设计helmholtz共振腔和一个Fabry-Pérot共振直管构成的环形亚波长超构单元结构,并利用COMSOL有限元软件模拟分析单元结构内部参数调整对声场相位的影响,研究其作为声学超构透镜相位调控方法。最后基于helmholtz共振腔和Fabry-Pérot共振直管组成的混合结构设计了二维声学透镜阵列,形成一种圆环形二维结构声学超衍射超构透镜。仿真模拟与实验测量结果证明设计的声学超构透镜能够在二维平面内产生超分辨聚焦现象。设计的声学超构透镜能够对入射的平面声波直接进行调控,能够在焦点形成突破衍射极限的焦斑,其焦斑的半峰全宽为0.428个波长。同时,在不同频率下,利用设计的声学超构透镜产生的不同相位延迟能够在二维聚焦平面形成聚焦深度约为5个波长的声针,焦斑的半峰全宽为0.467个波长,此焦斑大小能够突破衍射极限,通过模拟仿真和实验测量证明了声学超构透镜能够实现突破衍射极限的声针现象。本文提出的这种设计方法,促进了聚焦技术在声成像、粒子操纵和其他领域的应用和发展,在声学超分辨成像、医学超声治疗领域具有应用潜力。

关键词：声学超构材料声场调控 helmholtz共振腔声学超衍射声针现象

细长管helmholtz共振腔模型及其应用研究

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细长管Helmholtz共振腔模型及其应用研究

作者：石孟凡华中科技大学

学位级别：硕士

helmholtz共振腔是一种由腔体和喉管组成的基本声学单元,具有广泛的工程应用价值。经典的helmholtz共振腔模型采用声学紧凑和无粘假设,即腔体和喉管的特征尺寸均远小于声波波长。本文研究了一种带有细长喉管的helmholtz共振腔结构,由于... 详细信息

helmholtz共振腔是一种由腔体和喉管组成的基本声学单元,具有广泛的工程应用价值。经典的helmholtz共振腔模型采用声学紧凑和无粘假设,即腔体和喉管的特征尺寸均远小于声波波长。本文研究了一种带有细长喉管的helmholtz共振腔结构,由于细长管的长度大于声波波长,经典的声学紧凑helmholtz共振腔模型不再适用于分析上述结构的声学特性。因此,本文开展了如下几个方面的研究工作:(1)基于无粘无流的假设和传递矩阵方法,建立了细长管helmholtz共振腔声学预测模型,预测结果与三维有限元数值模拟得到的计算结果进行对比,验证了所建立声学预测模型的正确性和高效性。研究结果表明:细长管helmholtz共振腔具有多个共振频率且推导了这些共振频率的快速预测公式。(2)在上述细长管helmholtz共振腔解析模型的基础上,运用传递矩阵方法建立了某流量测量系统频率响应的解析模型,分析了其扰动传播特征。预测结果揭示了此流量测量系统中存在低阶共振频率,与现场实际观察得到的结果一致。此外,上述解析模型的预测耗时成本远小于有限元方法,表明了所建立的细长管helmholtz共振腔模型具有工程实用价值。(3)在细长管helmholtz共振腔解析模型的基础上,建立了喉管内延至共振腔内的内延式helmholtz共振腔模型。类似地,结合传递矩阵方法建立了声学预测模型和提出共振频率的快速预测公式并进行了验证。结果表明:内延式helmholtz共振腔同样具有多个共振频率,与具有相同长度喉管的细长管helmholtz共振腔比较,内延式helmholtz共振腔的各阶共振频率会增大,且增大效应随着频率升高而减弱。(4)采用有限元方法研究了背景流和粘性对细长管helmholtz共振腔声学特性的影响。结果表明:在背景流马赫数不超过0.21的范围内,共振频率随流速的增加近似呈线性增加的特征;流体粘性和运动马赫数均会影响共振腔的传递损失,其中,马赫数增大和流体粘性均会降低低频共振状态下的传递损失,而高频共振状态的传递损失则主要受到流体粘性的影响。

关键词： helmholtz共振腔传递矩阵方法共振频率传递损失

镶嵌薄膜结构的helmholtz共振腔吸声特性分析

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镶嵌薄膜结构的Helmholtz共振腔吸声特性分析

新型helmholtz型声子晶体的低频带隙及隔声特性

2017中国西部声学学术交流会

作者：刘怡然李丽君孙振永孙丰山山东理工大学

为了提高helmholtz共振腔低频吸声性能,提出了一种内部镶嵌薄膜的helmholtz共振腔吸声结构,结合薄膜的隔声特性和共振腔的吸声特性进行了分析。通过调节薄膜的厚度和表面张力来改变薄膜的共振频率,使其和共振腔相互耦合,在低频产生更丰... 详细信息

为了提高helmholtz共振腔低频吸声性能,提出了一种内部镶嵌薄膜的helmholtz共振腔吸声结构,结合薄膜的隔声特性和共振腔的吸声特性进行了分析。通过调节薄膜的厚度和表面张力来改变薄膜的共振频率,使其和共振腔相互耦合,在低频产生更丰富的吸声特性。结果表明:在不改变helmholtz共振腔几何构造的情况下,单腔共振腔镶嵌薄膜可以产生多个吸声峰值。

关键词： helmholtz共振腔薄膜结构共振频率低频吸声

来源： cnki会议评论

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物理学报 2022年第11期71卷 203-211页

作者：韩东海张广军赵静波姚宏空军工程大学基础部西安710051

为了解决军用飞机舱室内产生的低频噪声问题,构建了一种新型的helmholtz型二维声子晶体,该结构采用迷宫型开口通道,并在结构加入了刚性振子.研究发现,该结构在晶格常数为62 mm条件下,将第一低频带隙的下限降至15 Hz左右,且在100 Hz频率... 详细信息

为了解决军用飞机舱室内产生的低频噪声问题,构建了一种新型的helmholtz型二维声子晶体,该结构采用迷宫型开口通道,并在结构加入了刚性振子.研究发现,该结构在晶格常数为62 mm条件下,将第一低频带隙的下限降至15 Hz左右,且在100 Hz频率左右形成一条宽度为93 Hz的带隙宽带,表现出较好的低频隔声特性.首先,通过振型及声压场分析了其带隙成因,采用“力-声类比”的方法建立了该结构的等效模型,最后利用有限元法和传递矩阵法对第一低频的带隙范围进行了计算,两种方法所得结果基本相符;其次,通过有限元法探究了晶格常数、空气通道长度及振子材料等结构参数对低频带隙的影响.研究表明,增加开口通道长度和晶格常数都会降低第一带隙下限,增加振子材料密度能够有效降低第二带隙的上下限,进一步揭示了该结构带隙形成的实质,验证了等效模型的准确性.该研究为低频噪声控制方面提供了一定的理论支持,为低频声子晶体的设计提供了新的思路.

关键词： helmholtz共振腔声子晶体低频带隙隔声降噪

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薄膜与helmholtz腔耦合结构低频带隙

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物理学报 2019年第21期68卷 120-129页

作者：陈鑫姚宏赵静波张帅贺子厚蒋娟娜空军工程大学基础部

设计了一种含薄膜壁的helmholtz型声子晶体,该结构利用了空气和薄膜的耦合振动,一方面将刚性壁转变为柔性壁,降低了一阶振动时的等效刚度,使第一带隙下限分别低于同参数下的普通helmholtz型声子晶体和薄膜,另一方面基于局域共振原理,由... 详细信息

设计了一种含薄膜壁的helmholtz型声子晶体,该结构利用了空气和薄膜的耦合振动,一方面将刚性壁转变为柔性壁,降低了一阶振动时的等效刚度,使第一带隙下限分别低于同参数下的普通helmholtz型声子晶体和薄膜,另一方面基于局域共振原理,由于薄膜的出现和腔口空气通道长度的增加,使得结构在低频范围内存在多个振动模态,从而将原有一个带隙扩展为多个带隙.将该结构带隙上下限分别等效为环形系统和串联系统,用传递矩阵法和有限元法两种方法计算了其低频带隙范围,两种方法结果吻合良好.通过调整参数对带隙调控规律进行了进一步分析,结果显示,在低频范围内,既可以通过改变与腔口空气通道或薄膜相关的参数,在保证其中某些带隙变化不大的情况下,单独调整其他带隙;也可以通过调整内外腔体积,对所有带隙进行调控.

关键词： helmholtz共振腔低频带隙噪声控制声子晶体

一种基于二维helmholtz腔阵列的低频宽带隔声结构实验研究

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物理学报 2017年第1期66卷 184-191页

作者：高东宝刘选俊田章福周泽民曾新吾韩开锋国防科学技术大学海洋科学与工程研究院长沙410073

基于圆周排列的helmholtz共振腔单元,设计并实现了一种具有低频宽禁带的声人工结构,可以在结构中心处实现二维隔声效果.针对实际模型,搭建了二维声场测量平台,进行了相应的实验研究,实验结果与有限元仿真结果符合较好.该结构在较宽的频... 详细信息

基于圆周排列的helmholtz共振腔单元,设计并实现了一种具有低频宽禁带的声人工结构,可以在结构中心处实现二维隔声效果.针对实际模型,搭建了二维声场测量平台,进行了相应的实验研究,实验结果与有限元仿真结果符合较好.该结构在较宽的频带内(680—1050 Hz)可以实现较好的隔声效果,最大隔声量可达41 d B.实验中还研究了单元参数及共振状态对隔声效果的影响.隔声区的大小与共振单元的分布形式有直接关系,而良好的共振状态将对提高隔声量有一定帮助.研究结果对设计新型声防护结构具有理论与应用价值.

关键词： helmholtz共振腔低频隔声二维声场测量声防护