噪声存在于生产生活的各个方面,对人的身心健康和装备的可靠运行均有不利影响,尤其是低频噪声,其穿透性强,难以有效隔离和吸收,一直是降噪领域的难题。本课题围绕声学超材料展开设计,通过理论、仿真等手段研究膜腔耦合式声学超材料低频吸声性能。首先,设计新型无质量块膜腔耦合式声学超材料的结构,并且基于有限元法和声电类比法分别建立了该结构的多物理场耦合的仿真模型以及等效电路,并引入吸声系数作为结构吸声性能的评价标准,通过实验测试得到的吸声曲线与仿真及理论模型吻合较好,验证了仿真和理论模型的正确性。其次,研究了结构各部分的声能损耗,结果表明:空气层对声能损耗的贡献最大;进一步通过复频率平面证明了结构能够实现完美吸声是由于其处于临界耦合状态,并从阻抗角度阐述了完美吸声是由于结构的表面阻抗和空气的特性阻抗完全匹配。最后,对结构吸声性能的影响因素进行了探究,发现薄膜密度和厚度、穿孔半径和背腔深度对结构吸声性能的影响程度更大,并且背腔的引入使得薄膜表面张力在一定范围内变化难以影响吸声性能,这也证实了该结构确实削弱了对薄膜张力的依赖性。为了实现低频宽带的研究目标,首先,开展多层膜腔耦合式结构的设计,并利用传递矩阵法建立了多层结构的理论模型。为改善声学性能,在多层结构中引入螺旋结构,通过遗传算法进行了优化设计。优化得到的复合型三层结构在厚度为52.5mm情况下能够在300-550 Hz保持吸声系数0.8以上,对比实验结果验证了优化结果的正确性。其次,研究了膜腔耦合式结构的并联设计,首先针对并联单元的穿孔形式进行了改进设计,发现引入变截面和突变截面─插管能显著提升结构的低频声学性能。其次,基于并联单元间的相干耦合作用,针对三种不同穿孔形式以及复合型三层单元开展并联结构的设计,其中直通孔型并联结构在320-600 Hz,变截面型在225-350 Hz,突变截面─插管型在180-240 Hz范围内保持了吸声系数0.8以上,且三种并联结构的厚度均为42.5 mm。而复合型三层单元的两种并联结构在260-900 Hz和300-620 Hz范围内吸声系数分别高于0.5和0.8,结构厚度分别为59.5mm以及44.5 mm。最后,搭建了方形阻抗管声学测试系统,对并联结构进行了实验,采用传递函数法得到了吸声曲线。