【摘 要】
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低频噪声波长长、衰减慢、传播距离远、穿透能力强,一直是噪声控制领域的研究热点与难点。声学超材料作为一种周期性排列的复合结构,通过对其亚波长尺度结构设计可以实现低频声波的有效控制,因而有着广泛的工程应用前景。为了进一步拓宽声学超材料在低频领域的隔声带宽,提高隔声效果,实现结构隔声性能的主动控制,本文设计并制备了一种频率可电磁调谐的薄膜型声学超材料。运用理论分析、COMSOL仿真和声学实验系统研究了该
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低频噪声波长长、衰减慢、传播距离远、穿透能力强,一直是噪声控制领域的研究热点与难点。声学超材料作为一种周期性排列的复合结构,通过对其亚波长尺度结构设计可以实现低频声波的有效控制,因而有着广泛的工程应用前景。为了进一步拓宽声学超材料在低频领域的隔声带宽,提高隔声效果,实现结构隔声性能的主动控制,本文设计并制备了一种频率可电磁调谐的薄膜型声学超材料。运用理论分析、COMSOL仿真和声学实验系统研究了该声学超材料的电磁调谐特性和声学性能,论文的内容主要包括:1、设计制备了一种张力和力学性能可电磁调谐的铁粉-硅橡胶三明治薄膜结构。该铁粉-硅橡胶三明治薄膜同时具有软弹性和铁磁性的性能优点,施加适当电磁力既可以改变该三明治薄膜的张力,又能有效调节该三明治薄膜结构的力学性能。通过称重法、拉伸试验和DIC实验测量了该三明治薄膜结构的密度、弹性模量、泊松比等力学性能,为声学超材料的设计、仿真分析和隔声实验奠定基础。2、设计了一种频率可电磁调谐的主动声学超材料,该结构由铁粉-硅橡胶三明治薄膜、轴向磁场发生装置、铅制质量块和固定框架等组成。基于局域共振机理建立了该声学超材料的理论模型,在此基础上进一步结合主动调谐机制建立了主动声学超材料的结构模型。利用有限元软件COMSOL分析了该声学超材料结构的固有频率和模态,进一步对电磁力调谐下声学超材料的隔声调控性能进行了研究,研究表明:通过控制轴向磁场发生装置的载流强度可以有效改变声学超材料的隔声峰值,拓宽结构的低频隔声带宽、实现隔声效果的主动控制。3、利用有限元软件COMSOL研究了声学超材料结构的尺寸参数（质量块质量、铁粉-硅橡胶三明治薄膜厚度）对新型声学超材料声学性能和调谐效果的影响规律,研究表明:增加质量块质量可以使结构的隔声峰值频率向低频移动,增加铁粉-硅橡胶三明治薄膜的厚度可以使结构隔声峰值频率向高频移动,本研究取质量块半径为4mm,高度为4mm,三明治薄膜厚度为1.1mm,结构可以实现隔声的主动调谐,有效拓宽低频隔声带宽。4、利用有限元软件COMSOL研究了声学超材料结构的材料参数（铁粉-硅橡胶三明治薄膜结构的杨氏模量和预应力）对新型声学超材料声学性能的影响规律,研究表明:铁粉-硅橡胶三明治薄膜的杨氏模量越高或预应力越大,声学超材料的隔声峰值频率向高频移动。本研究取实验测定的三明治薄膜的杨氏模量3MPa,预应力为10MPa,声学超材料可以有效拓宽低频隔声带宽、实现隔声主动控制。5、搭建实验平台对新型声学超材料的声学性能进行了详细研究,设计、制备了专用电磁线圈绕线机和轴向磁场发生装置,改进传统的阻抗管为带电磁调节装置的声学测量系统;制备了铁粉-硅橡胶三明治薄膜结构的声学超材料试样,利用改进的声学测量系统以四位传感器法对声学超材料试件进行隔声实验研究。研究结果表明:本文设计的频率可电磁调谐的主动声学超材料隔声峰值频率最大移动量达88Hz,在低频范围可以实现良好的隔声及主动调谐效果,实验验证了理论分析和仿真结果。
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