【摘要】：低頻噪聲廣泛存在于日常生活和軍事領(lǐng)域,對(duì)人體健康、生產(chǎn)生活和軍事活動(dòng)產(chǎn)生各種負(fù)面影響。受質(zhì)量定律的限制,傳統(tǒng)隔聲材料對(duì)低頻噪聲無(wú)法達(dá)到令人滿意的隔聲效果。聲學(xué)超材料因其亞波長(zhǎng)和負(fù)等效參數(shù)特性,為低頻降噪提供了新的解決途徑。盤(pán)繞型聲學(xué)超材料是一類通過(guò)折疊空間以獲得較高折射率的聲學(xué)超材料,其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了材料具有低耗散、較強(qiáng)的吸聲性能和很好的各向同性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。然而,現(xiàn)有的盤(pán)繞型聲學(xué)超材料大多沿用了“之”字型的設(shè)計(jì)方法,且關(guān)于盤(pán)繞型聲學(xué)超材料聲學(xué)性能的研究,大部分還集中某單一聲學(xué)性能。為了豐富盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)方法,構(gòu)造具有多種優(yōu)異聲學(xué)性能的盤(pán)繞型聲學(xué)超材料,本文提出了一種螺旋對(duì)稱的盤(pán)繞型聲學(xué)超材料單胞結(jié)構(gòu),基于聲學(xué)基礎(chǔ)和有限元理論建立了聲學(xué)超材料的聲場(chǎng)有限元模型,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的隔聲性能和等效零質(zhì)量性能分析研究。論文的主要研究工作如下:(1)聲學(xué)超材料的聲場(chǎng)有限元建模以聲學(xué)理論和有限元為基礎(chǔ),在多物理場(chǎng)軟件COMSOL Multiphysic中建立了聲學(xué)超材料的聲場(chǎng)有限元模型;比較了幾種計(jì)算聲學(xué)超材料帶隙的常用方法,并選擇有限元法作為分析螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的基本方法。(2)螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)介紹了盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)原理,并詳細(xì)闡述了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)方法,總結(jié)了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的優(yōu)點(diǎn);給出了透射反射系數(shù)反演法求解聲學(xué)超材料等效介質(zhì)參數(shù)的理論推導(dǎo),計(jì)算了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料單胞的等效參數(shù);證明了單胞單級(jí)共振引起負(fù)的體積模量,雙級(jí)共振導(dǎo)致了負(fù)的質(zhì)量密度。(3)螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的隔聲性能分析以波導(dǎo)管中聲壓傳遞函數(shù)表征螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料單胞的隔聲性能,基于等效介質(zhì)理論和模態(tài)理論解釋了單胞具有超強(qiáng)隔聲性能的原因;通過(guò)單胞參數(shù)化分析,總結(jié)了單胞共振隔聲頻率的變化規(guī)律;在單胞在波導(dǎo)管中位置和角度發(fā)生小幅變化的情況下,分析了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的隔聲魯棒性。(4)螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的等效零質(zhì)量性能分析等效零質(zhì)量性能是聲學(xué)超材料在等效零質(zhì)量密度頻率下保持聲波幅值和相位不變的特殊傳輸性能�；趲逗偷刃Ы橘|(zhì)參數(shù)計(jì)算,確定了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的等效零質(zhì)量密度頻率。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)適當(dāng)?shù)牟贾?實(shí)現(xiàn)了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的等效零質(zhì)量性能,包括聲隱身、聲通道、聲學(xué)邏輯電路等。本文以聲學(xué)理論和有限元為基礎(chǔ),建立了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的聲場(chǎng)有限元模型,總結(jié)了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合等效介質(zhì)理論和帶隙理論,分析了螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料的隔聲性能和等效零質(zhì)量性能。仿真結(jié)果表明,螺旋盤(pán)繞型聲學(xué)超材料在低頻降噪和高性能聲學(xué)器件中具有良好的應(yīng)用前景。
【圖文】：

a）盤(pán)繞型聲學(xué)超材料單胞結(jié)構(gòu) b）等效介質(zhì)模型圖 1.4 盤(pán)繞型聲學(xué)超材料14 年，Xu 等人沿用了 Liang 的設(shè)計(jì)思路，在空氣聲學(xué)通道上加入]。如圖 1.5（a）所示，上下各 15 個(gè)盤(pán)繞次數(shù)不同的結(jié)構(gòu)加載在空 。 盤(pán) 繞 因 子 為 F 2 L/2(d w)， 聲 波 在 “ 之 ” 字 形 傳 播 的2 ( d w)。其中 d 和 w分別為空氣和硬質(zhì)材料的厚度（圖 1.5（b）道下側(cè)，盤(pán)繞因子從左往右逐漸增大；空氣聲通道上側(cè)，盤(pán)繞因子增大。“之”字形盤(pán)繞結(jié)構(gòu)等效為圖 1.5（c）的等效介質(zhì)，其等效，數(shù)值上接近 8（圖 1.5（d））。當(dāng)平面波從空氣聲學(xué)通道左側(cè)入道右側(cè)測(cè)量其傳輸系數(shù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)很多很密集的全反射頻率點(diǎn)。這點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)上述 30 個(gè)不同盤(pán)繞因子的結(jié)構(gòu)。較小盤(pán)繞因子對(duì)應(yīng)的是頻率點(diǎn)，較大盤(pán)繞因子對(duì)應(yīng)的是較小的全反射頻率點(diǎn)。每一個(gè)盤(pán)繞能夠過(guò)濾一個(gè)頻率隔聲點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同大小的盤(pán)繞因子的結(jié)構(gòu)，噪聲頻率進(jìn)行濾波。這證明盤(pán)繞型聲學(xué)結(jié)構(gòu)能廣泛應(yīng)用于不同頻率

可濾波的盤(pán)繞結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：2640299