声学超材料局部共振微结构研究进展
基于空心钢管结构的声学超材料
这 种 ＨＳ Ｔ声学 超材 料 ， 是 两端 开 口的空 心钢管 结
构 材料 。两 端开 口的圆柱形 空心 管对声 波 具有 引 导作 用， 可 以将这 种结 构等 效看成 声 学 电路 的 电感 ：
Ｌ 一
譬
面， 制备 出双层 空心 管结 构样 品 Ｂ， 如 图 ２空 心钢 管 结
等 效质 量密 度 。同时进一 步研 究 了空心 管 几何 尺 寸 与 共 振频 率 的关 系 。通 过 对 共振 结 构 的研 究 ， 能够 更 好 地 理解 其谐 振 机 理及 谐 振 的 因素 。 因此 ， 在 实 际应 用 中， 可 以根 据需 要 设计 不 同频 段 的负 质 量 密度 声 学 超
ｊ ＋一
—
材料 的透 射性 质 ， 结果 表 明 空心钢 管 几何 尺 寸 的 改 变 对声 学超 材料 的透射 禁 带频 率有 影 响。 关键 词 ： 空 心钢 管 ； 超原子 ； 声 学超 材 料 ； 透 射禁 带 ；
等 效质 量密 度
中图分类 号 ： Ｔ Ｂ ３ ８ １ 文献标 识 码 ： Ａ
曾红 成 等 ： 基 于 空 心 钢 管 结 构 的声 学 超 材 料
文章 编号 ： １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ３ — ３ ４ ３ ９ － ０ ３
基 于 空， ｂ Ｎ 管 结构 的 声 学 超 材 料
曾红成 ， 罗春 荣 ， 陈怀军 ， 丁 昌林 ， 翟世 龙 ， 赵 晓鹏
式中， ｓ是 端 口截 面 积 ， ｚ 是 孔 径 长 度 。空 心 管 内
部 可 以看成 一种体 腔 ， 具有存 储 声波能 量 的功 能 ， 相 当 于声容 的作 用 ， 因此等 效声 容 ：
声学超材料的构造与性能
声学超材料的构造与性能声学超材料是一种具有特殊结构和性能的材料，能够引导、控制和调节声波的传播。
声学超材料的构造和性能对其在声学隔离、声波透镜、声波吸收等领域的应用起着至关重要的作用。
本文将从声学超材料的构造和性能两个方面进行探讨。
一、声学超材料的构造声学超材料的构造是指其内部结构的设计和制备过程。
声学超材料通常由多个微观结构单元组成，这些单元的尺寸远小于声波波长，从而表现出特殊的声学性质。
常见的声学超材料构造包括周期性结构、共振结构和多孔结构等。
1. 周期性结构周期性结构是最早被应用于声学超材料构造的一种方法。
通过周期性排列的结构单元，声学超材料可以表现出负折射、声子带隙等特性。
例如，一维周期性结构可以实现声波的反射和透射控制，二维周期性结构可以实现声波的超衍射传播。
2. 共振结构共振结构是利用谐振现象来实现声学超材料的构造。
通过设计具有特定共振频率的结构单元，声学超材料可以在特定频率范围内表现出负折射、声子带隙等性质。
共振结构的设计需要考虑结构单元的尺寸、形状和材料参数等因素。
3. 多孔结构多孔结构是利用孔隙结构来实现声学超材料的构造。
通过控制孔隙的形状、大小和分布，声学超材料可以实现声波的吸收、隔离和透射控制。
多孔结构的设计需要考虑孔隙率、孔隙形状和孔隙间距等因素。
二、声学超材料的性能声学超材料的性能是指其在声学传播过程中表现出的特殊性质和功能。
声学超材料具有负折射、声子带隙、声波透镜、声波吸收等多种性能，可以广泛应用于声学隔离、声学透镜、声学吸收等领域。
1. 负折射声学超材料可以实现负折射，即声波在超材料中的传播方向与传统材料中的相反。
这种负折射性质可以用于声波透镜、声波隐身等应用，对声学信号的控制具有重要意义。
2. 声子带隙声子带隙是指声学超材料中禁止声子传播的频率范围。
声子带隙的存在可以有效地控制声波的传播和衍射，实现声波的隔离和过滤。
声子带隙的设计和调控是声学超材料研究的重要方向之一。
力学与声学超材料在船舶工程中的应用研究综述
力学与声学超材料在船舶工程中的应用研究综述摘要：声绝缘水平是声波反射到材料表面的能量,声吸收量是声波在材料内部传输的能量。
天然吸声材料遵循经典的波传播理论,即材料密度越高,隔音和吸声效果越好。
声学超结构材料作为一种新型的人造结构,在传统材料的基础上,组合设计的微结构,实现了许多天然材料所没有的异常等效物理性能,大大增强了对声波的控制能力,主要表现在同样的降噪能力上,超结构材料的声学厚度远远小于传统材料。
这种双负极材料在20世纪末发现后,大大提高了控制电磁波的能力,推动了材料领域的发展。
关键词：力学与声学超材料；船舶工程；应用引言船舶与海洋工程结构长期工作于风、浪、流、高低温、光照、盐雾、腐蚀及深海超高压等复杂的海洋环境中，船上推进装置及各类设备会产生较大的动载荷，从而造成船舶及海洋结构物的腐蚀、蠕变、振动、疲劳、噪声、屈曲和断裂等问题。
对民用运输船舶来说，其主要追求结构的轻量化、安全性和舒适性。
对军船以及极地破冰船来说，需要考虑武器攻击的强非线性载荷、连续破冰时产生的瞬态冲击力、在动力装置的推进下产生的水下辐射噪声等问题，其主要追求结构抗爆抗冲击的安全性、声隐身性和振动舒适性等。
但是，采用传统材料制造的船舶已难以满足上述更高的综合工程需求。
而超材料由于其性能的人工可设计性和性能超颖性，成为解决上述难题的有效途径之一。
例如，力学超材料的压阻效应及吸能特性可以用于解决舰船抗爆抗冲击防护的难题，声学超材料的带隙特性可以用于解决潜艇或水面舰船的全频段声隐身难题，电磁波超材料可以用于解决舰艇特定频段的雷达波隐身设计等。
1概述随着科技的发展，各种新型功能性材料得到广泛应用。
其中，通过实施微结构设计而使内部弹性常数及密度呈周期性变化的声学超材料可达到对声波/弹性波的抑制与操控目的。
声学超材料的奇特声学特性主要源于其拓扑结构形式，使其具有诸如负等效质量密度、负等效体积模量或负剪切模量等特征。
在声学超材料中，周期性排列的宏观介质材料会对声波/弹性波产生散射，并在特定的频率下使入射声波/弹性波产生相位相消现象，阻碍声波/弹性波的传播，这种对声波/弹性波产生抑制的频率区间即为带隙。
超材料及其应用前景
超材料及其应用前景随着科技的不断发展，人类对材料的需求越来越高。
超材料在这个领域中的应用越来越广泛。
它能够改变光、声波传播的行为，并在许多领域中发挥着重要的作用。
本文将介绍超材料的基本概念、研究进展以及未来的应用前景。
一、什么是超材料？超材料是由一系列不同的物质组成的复合材料，这些物质的特性对电磁、光学和声学波的传播有很大的影响。
在常见的材料中，这些特性通常是固有的，在超材料中，这些物质的特殊配置会在微观尺度上改变传播方式。
这种特殊的构造使得超材料具有一些非常独特的性质，例如负折射率和分数折射率等。
二、超材料的研究进展超材料的研究始于20世纪90年代后期，最早用于天线和雷达技术中。
随着技术进步，研究人员们开始研究超材料在光学和声学方面的应用，并在这些领域中进行了大量的实验。
超材料是由人工微结构制成的，这种制造方法对材料的厚度、形状、组合和阵列等进行了精细调节。
在研究中，研究人员发现，超材料的折射率能够为负值，这是在常规材料中不可能出现的物理现象。
负折射率使得光线的反射和折射几乎消失，这为制造抗反射表面和非球面透镜提供了理论基础。
三、超材料的应用前景超材料在光学、声学、电磁学等领域都有广泛的应用前景。
1.光学方面超材料在光学方面的应用主要是通过改变材料的微观结构来控制光的传播，这项技术被称为“短波材料”。
通过制造具有特定的细微结构的超材料，人们可以针对某些波长的光对其进行偏振、旋转或折射。
这种材料可以用于制造高分辨率显微镜、透镜和光纤通信系统。
2.声学方面超材料在声学领域的应用可以改善噪声和震动的控制和减弱。
超材料可以控制和调节声波和振动的传播，改变声波的频率、幅度和相位。
这种技术可以应用于建筑物的隔音、消声、降噪，以及车辆引擎、飞机发动机的噪声控制等领域。
3.电磁学方面超材料在电磁学方面的应用可以改善电磁波的传播和控制。
超材料可以用于隐身技术以及制造具有特殊电磁波吸收性能的设备。
例如，超材料可以制造成光隐形材料，使得电磁波穿过时不会被探测到。
声学超表面研究及应用进展
声学超表面研究及应用进展许卫锴;张蒙;王伟【摘要】Owing to the novel properties based on the regulatory mechanism and physical design,acoustic meta-surfaces have important potential applications in various fields.As an important branch of acoustic metamateri-als,the metasurfaces can regulate the acoustic wave by controlling the wavefront phase,which obeys the gener-alized Snell's law.In this paper,the research and application advances of acoustic metasurfaces were intro-duced,and the problems and trends in the future were discussed.This will be of certain guiding significance for the preparation and design of wave control structure made of metasrufaces.%声学超表面是基于广义斯涅尔定律,通过控制波前相位从而进行声波调控的新型人工结构,是声学超材料的重要分支,其新颖的调控机制和灵活的结构设计已经展现出广阔的应用前景.阐述了声学超表面的设计原理与相关研究进展,并对声学超表面有待解决的问题和发展趋势进行了探讨,对于波控结构的设计与制备实现具有指导意义.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2017(048)011【总页数】6页(P11054-11059)【关键词】声学超表面;声波调控;广义斯涅尔定律;人工微结构超材料【作者】许卫锴;张蒙;王伟【作者单位】沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳 110136;沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳 110136;沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳 110168【正文语种】中文【中图分类】O422.3;TB34人工微结构超材料作为一种新颖的材料设计理念，已经为越来越多的学者所关注。
声学超材料的声振耦合数值分析
声学超材料的声振耦合数值分析李辉;李旭东【摘要】Based on definite element software ABAQUS,coupling model of acoustics metamaterial with pe-riodicity is built for the purpose of studying the effect of acoustic vibration coupling on structural displace-ment of acoustics metamaterial.When acoustics metamaterial is under acoustic-vibration recombination,fi-nite element model of acoustics metamaterial is simulated in computer with both acoustic and vibration ac-tion by ABAQUS acoustics finite element method and coupled acoustic-structural analysis.The result shows that structural displacement respond of metamaterial under sound-vibration recombination is bigger than that under single sound or vibration.It gives the rules that acoustic vibration coupling affects metama-terial structural displacement,so that ABAQUS can simultaneously simulate value under acoustic vibration recombination.%为了研究声振耦合对声学超材料结构位移响应的影响,以有限元软件ABAQUS为设计平台,建立具有周期性结构的声学超材料耦合模型.当声学超材料结构经受声-振复合环境激励时,通过ABAQUS声学有限元法和声固耦合算法,对声学超材料的有限元模型在声音、振动共同作用下进行计算机仿真.结果表明:声振复合环境激励下的超材料结构位移响应比声、振单独激励下位移叠加后的结果要大.揭示出声振耦合对超材料结构位移响应的影响规律,实现了ABAQUS软件同时对声振复合环境进行数值模拟.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2017(029)006【总页数】6页(P35-40)【关键词】有限元;声学超材料;声振耦合;位移;数值模拟【作者】李辉;李旭东【作者单位】兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TB39“超材料”(metamaterials)是21世纪以来出现的一类新材料，通过人工的微结构单元构成复合结构或者复合材料并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质。
多孔材料与超材料耦合的全频带吸声原理
多孔材料与超材料耦合的全频带吸声原理The Principle of Broadband Sound Absorption Coupling between Porous Materials and Metamaterials多孔材料与超材料耦合的全频带吸声原理IntroductionSound absorption is an important aspect of acoustic engineering, especially in applications where noise reduction is necessary. Traditional porous materials have been widely used for sound absorption due to their ability to dissipate sound energy through viscous and thermal losses within their interconnected pore structure. However, the performance of these materials is often limited to specific frequency ranges and may not cover the entire audible spectrum. In recent years, the coupling of porous materials with metamaterials has emerged as a promising approach to achieve broadband sound absorption.声学吸声是声学工程的重要方面，特别是在需要降噪的应用中。
传统的多孔材料因其能够通过其相互连接的孔隙结构中的粘性和热损失来散射声能而被广泛用于吸声。
介质超材料中的共振模式研究
介质超材料中的共振模式研究摘要：一、引言1.介质超材料的概述2.共振模式在介质超材料中的重要性二、共振模式的分类与特点1.线性共振模式2.非线性共振模式3.混合共振模式三、共振模式的实验研究与应用1.具有惯性放大机制的局部共振复合夹层超材料2.不同共振单元数的迷宫式超材料的散射特性3.局部共振碳纤维复合材料超结构的三维打印四、共振模式在实际工程中的应用前景1.振动控制与衰减2.声学隐身技术3.超材料设计与制造正文：随着科技的发展，新型材料的研究越来越受到人们的关注。
其中，介质超材料作为一种具有独特性质的材料，其在声学、光学等领域有着广泛的应用。
在介质超材料中，共振模式的研究具有重要的理论和实际意义。
共振模式是指在特定条件下，介质超材料中出现的能量集中传播的现象。
根据其特点和行为，共振模式可分为线性共振模式、非线性共振模式和混合共振模式。
线性共振模式是指在恒定输入条件下，系统输出呈现周期性波动的现象。
这种模式的特点是共振频率固定，且随着频率的增加，振幅逐渐减小。
线性共振模式在介质超材料中具有良好的应用前景，如用于振动控制、声学隐身等。
非线性共振模式是指在非线性系统中，当输入能量达到一定程度时，系统输出呈现出非线性特征。
这种模式的特点是共振频率随着输入能量的增加而变化，具有更丰富的动态行为。
非线性共振模式在提高系统性能、增强功能等方面具有重要应用价值。
混合共振模式是指线性共振和非线性共振同时存在的模式。
这种模式具有更复杂的动力学行为，可在多种应用场景中发挥重要作用。
近年来，共振模式在介质超材料中的应用得到了广泛关注。
例如，研究人员提出了一种具有惯性放大机制的局部共振复合夹层超材料梁，该结构具有低频阻带特性。
另外，不同共振单元数的迷宫式超材料的散射特性也得到了研究，发现可以通过调整共振单元的分布间距来实现声隔离和传输控制。
此外，局部共振碳纤维复合材料超结构的三维打印技术也取得了显著进展。
这种超结构具有较高的振动衰减性能，可应用于振动控制和声学隐身等领域。
声学超构材料
声学超构材料
声学超构材料是一种具有特殊声学性能的材料，它可以在声学领域中发挥重要
作用。
声学超构材料是通过在微观结构上精心设计和排列来实现的，它可以在控制声波传播和吸收方面具有显著的效果。
声学超构材料的研究和应用已经引起了广泛的关注，它在声学隔音、声学透镜、声学吸收等方面都具有重要的应用前景。
声学超构材料的设计和制备是一个复杂的过程，它涉及到材料科学、声学理论、微结构设计等多个学科领域的知识。
声学超构材料的基本原理是利用材料的微观结构来控制声波的传播和吸收。
通过精心设计材料的结构和组分，可以实现声波的控制和调控，从而达到所需的声学性能。
声学超构材料可以在很多领域发挥重要作用。
在建筑领域，它可以用于隔音材
料的制备，提高建筑物的隔音性能；在汽车领域，它可以用于制备车辆的隔音材料，提高车辆的乘坐舒适性；在航空航天领域，它可以用于制备飞机和航天器的隔音材料，提高飞行器的噪音控制性能。
声学超构材料的研究和应用还面临着一些挑战。
首先，声学超构材料的设计和
制备需要精密的工艺和设备，成本较高；其次，声学超构材料的性能受到材料本身性能的限制，需要进一步提高材料的性能和稳定性；最后，声学超构材料的大规模应用还需要克服一些技术和市场上的障碍，需要进一步完善相关的标准和规范。
总的来说，声学超构材料是一种具有重要应用前景的材料，它在声学领域中具
有广泛的应用价值。
随着材料科学和声学理论的不断发展，声学超构材料的研究和应用将会得到进一步推动，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
希望通过对声学超构材料的深入研究和应用，可以为人类创造更加安静、舒适的生活和工作环境，为可持续发展和环境保护做出更大的贡献。
共振结构的理论分析和实验研究
共振结构的理论分析和实验研究共振是指在某个特定频率下的振动或波动强烈地增强或受到强烈抑制的现象，共振结构则是指一种通过在物体表面或内部特定位置放置共振器件实现的控制振动或声波传播的方法。
共振结构在研究和应用中具有广泛的实用价值，如用于声学应用、结构动力学中的能量吸收、传感器技术、及各种物理实验的装置中等。
一、共振结构的理论分析共振结构的理论分析是指通过理论方法对共振结构的振动特性进行分析，如固有频率、共振增强、能量消耗、热分解等。
数值计算方法是对共振结构进行理论分析的基本方法之一，它通过有限元、边界元、声能量法等方法，对共振结构的振动场进行模拟计算，从而得到共振结构的振动机理，如共振特征频率、共振效应的增强、振幅分布等。
其中，有限元方法是一种计算力学领域中最常用的数值方法，它通过将问题离散化为多个小单元进行数值计算，可以计算位移、应力、应变等力学量的分布和变化规律，从而得到共振结构的理论振动特性。
边界元法是一种处理有界区域内边界问题的数值方法，它主要应用于中高频场合的计算，计算速度相对有限元法要快，对于大区域的有界区域处理也较为方便。
声能量法是一种处理声波传递问题的数值方法，它主要应用于半波长场合的计算以及低频传递问题的计算。
与理论方法不同的是，实验方法通过对已制备好的共振结构进行实际测试，从实验数据中得出共振结构的振动特性，如共振频率、共振效应等。
实验方法的优点在于对共振结构的仿真计算结果有一定的验证，但是由于实验条件的复杂性，实验结果仅对特定情况下的共振结构有效。
二、共振结构的实验研究共振结构的实验研究主要包括振动实验、声学实验、电磁实验等。
振动实验是通过在共振结构中施加一定的力，对共振结构的振动进行实验研究。
例如将悬挂在支点上的共振器上打上一定的振动，可以观察共振器的振动模式和频率，从而比较真实地得到振动特性。
声学实验是对共振结构进行声波实验萃取其共振特性。
例如在扬声器内设置共振腔，通过在共振腔内放置共振器，可以使声音效果更为突出，或者在墙壁上设置共振器芯板，可以改善空间的音质和声场分布。
声学超材料
1超材料1.1概述超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。
超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。
这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。
一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。
这些基元与显微结构之间存在关联影响。
因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。
为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。
简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。
超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。
从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。
尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。
随着先进制造技术的进步，具有更多样化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。
尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。
1.2超材料类型及研究现状材料的属性，不是仅仅由一种物性决定，也不是几种晶体学特性的总和，或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的，而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系，也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的，而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性，发挥着其应有的可利用价值。
多频带声学超构材料的透射性能
第４３卷 第３期２０２３年５月西安科技大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４３ Ｎｏ ３Ｍａｙ２０２３郝丽梅，杨宵，闫小乐，等．多频带声学超构材料的透射性能［Ｊ］．西安科技大学学报，２０２３，４３（３）：６３１－６３６．ＨＡＯＬｉｍｅｉ，ＹＡＮＧＸｉａｏ，ＹＡＮＸｉａｏｌｅ，ｅｔａｌ．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｍｕｌｔｉ ｂａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＵｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４３（３）：６３１－６３６．收稿日期：２０２２－１２－１８ 基金项目：国家自然科学基金项目（１１９７４２７５，１１３０４２４３）；陕西省自然科学基金项目（２０２３－ＪＣ－ＹＢ－０１４）通信作者：郝丽梅，女，山西盂县人，博士，副教授，Ｅ ｍａｉｌ：ｈａｏｌｍ＠ｘｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ多频带声学超构材料的透射性能郝丽梅，杨 宵，闫小乐，程 红，李育佳，王雅?，解 忧（西安科技大学理学院，陕西西安７１００５４）摘 要：为了研究多频带声学超构材料的透射性能，采用声学有限元方法（ＦＥＭ）模拟不同长度的ＯＥ－ＣＥ（一端封闭一端连通）空心方管结构单元的声透射谱，分析讨论管长对透射谱的影响，设计出一种占空比较小的由不同长度ＯＥ－ＣＥ空心方管并联组合的多频带声学超构材料板。
结果表明：嵌有９个空心方管声学超构材料的声透射曲线出现声透射阻带，随着空心方管的长度增加，透射阻带峰值和负等效质量密度频带向低频方向移动；透射阻带的个数与不同长度的空心方管数目有关，即２种不同长度的空心方管并联组合的声学超构材料板可以实现２个透射阻带，３种不同长度的则可以实现３个透射阻带；宽频带声学超构材料板则需要在较低频率区域增加对应长度的空心方管数目，在较高频率区域减小相邻空心方管的长度梯度。
声学超材料
1超材料1.1概述超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。
超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。
这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。
一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。
这些基元与显微结构之间存在关联影响。
因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。
为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。
简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。
超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。
从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。
尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。
随着先进制造技术的进步，具有更多样化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。
尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。
1.2超材料类型及研究现状材料的属性，不是仅仅由一种物性决定，也不是几种晶体学特性的总和，或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的，而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系，也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的，而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性，发挥着其应有的可利用价值。
声学超材料板在列车地板中的应用研究
声学超材料板在列车地板中的应用研究
李承城;张捷;彭健;许天啸;肖新标
【期刊名称】《机械》
【年(卷),期】2022(49)10
【摘要】针对轨道列车车内存在的100~400 Hz中低频段的振动噪声问题,结合列车车内声振能量的传递路径,设计一种基于局域共振机理的声学超材料板件,构造复合型的局域共振子系统贴附于车体地板的内饰板上。
通过有限元仿真,建立声学超材料板件模型,计算得到单胞能带结构,并结合其振动模态,分析230~390 Hz频率范围的弯曲波带隙形成机理。
而后,仿真建立周期排布的声学超材料板件模型,计算在其垂向平面波激励下的传声损失和垂向单位力激励下的振动声辐射,并结合相同基体的同尺寸板和相同表面密度的同质量板的隔声和隔振计算,对比分析声学超材料板件的振动及声能量衰减特性。
研究表明:振动及声能量的传递主要在阻带附近的100~400 Hz减少,在稍大于阻带的频率会产生恶化的现象,而在远大于或低于阻带的频率声学超材料板的振动及声能量的传递与裸板基本没有差异。
【总页数】8页(P1-7)
【作者】李承城;张捷;彭健;许天啸;肖新标
【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室;四川大学高分子材料工程国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U270.16
【相关文献】
1.晶格常数对声学超材料板隔声特性的影响研究
2.声学超材料板的弯曲波带隙与减振降噪特性
3.两边支撑声学超材料板的低频宽带隔声性能研究
4.一种准零刚度声学超材料板的低频宽频带隔声行为
5.声学超材料减振降噪技术在载人航天工程中的应用研究
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大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究
第52卷第8期2023年8月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.8August,2023大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究闫文惠,刘禧萱,方添寅,孙小伟,温晓东,欧阳玉花(兰州交通大学数理学院,兰州㊀730070)摘要:针对低频声波的衰减问题,设计了一种大尺寸月牙盘非对称薄膜型声学超材料结构,利用有限元法计算了其传输损失和位移场㊂其结构尺寸可达100mm,隔声频率降低至10Hz,并在10~500Hz 的低频范围内展现出良好的隔声性能㊂与对称型薄膜声学超材料结构的隔声频带和隔声量相比,通过在单胞中引入不对称性,使得结构的低频隔声频带拓宽了23Hz㊂通过模态分析发现,不对称性使薄膜声学超材料产生更多的振动耦合模式,Lorentz 共振与Fano 共振的同时存在提升了月牙盘型非对称结构的隔声性能㊂同时,薄膜和质量块的尺寸与偏心量等参数变化可进一步优化隔声效果,为声屏障低频隔声效果的提升在结构优化设计方面提供了一种解决思路㊂关键词:薄膜型声学超材料;非对称结构;隔声特性;有限元法;声固耦合;低频中图分类号:TB53㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)08-1441-10Low-Frequency Sound Insulation Characteristics of Large-Size Asymmetric Membrane-Type Acoustic MetamaterialsYAN Wenhui ,LIU Xixuan ,FANG Tianyin ,SUN Xiaowei ,WEN Xiaodong ,OUYANG Yuhua (School of Mathematics and Physics,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)Abstract :Aiming at the insulation of low-frequency acoustic sound,a 100mm crescent disc asymmetric membrane-type acoustic metamaterial structure was designed in this paper,which was composed of aluminum material as the frame and iron material as the mass attached to the surface of flexible ethylene-vinyl acetate copolymer film.The finite element method was adopted to calculate its transmission loss and displacement field.The asymmetric structure,the structure parameters and the mass blockᶄs eccentricity together with the vibrational modes analysis were investigated in this study for a better sound insulation performance.The results show that,compared with the symmetric membrane-type acoustic metamaterials,the design of the asymmetry in a single cell makes the low-frequency sound insulation band widened by 23Hz.Meanwhile,more vibrational modes are generated which illustrates that the coexistence of Lorentz resonance and Fano resonance promotes a better sound insulation performance of the crescent disc asymmetric structure.The large-size asymmetric membrane-type acoustic metamaterial structure designed in this paper can reduce the sound insulation frequency to 10Hz with a wide low-frequency sound insulation performance within 10~500Hz.It provides a new method for improving the low-frequency sound insulation effect of sound barriers in terms of structural optimization design.Key words :membrane-type acoustic metamaterial;asymmetric structure;sound insulation characteristic;finite element method;acoustic-structure coupled;low-frequency ㊀㊀收稿日期:2023-02-06㊀㊀基金项目:甘肃省高等学校产业支撑计划(2021CYZC-07);兰州市科技计划(2021-1-140);甘肃省高等学校创新基金(2022A-048);兰州交通大学 天佑青年托举人才计划 基金-第三批㊀㊀作者简介:闫文惠(1998 ),女,甘肃省人,硕士研究生㊂E-mail:yanwh_lzjtu@ ㊀㊀通信作者:刘禧萱,博士,副教授㊂E-mail:liulijuan@ 欧阳玉花,博士,副教授㊂E-mail:ouyangyh@0㊀引㊀㊀言近年来设计用于调控弹性波传播的声学超材料在声学隐身㊁声学滤波器㊁振动控制㊁声学成像等领域得1442㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷到研究学者广泛关注[1-4]㊂声学超材料具有亚波长尺寸的基本单元,在低频声波的激励下具有传统材料所不具备的超常声学特性,如负等效质量密度㊁负弹性模量㊁负折射等[5-7]㊂根据研究的结构类型不同,声学超材料可以分为薄膜型㊁薄板型和通风隔声型等,其中薄膜型声学超材料(membrane-type acoustic metamaterial,MAM)因其具有结构简单㊁质量轻㊁成本低㊁可与传统声学材料结合使用等特点在声学超材料中脱颖而出,在低频隔声降噪等领域展现出广阔的应用前景和应用潜力[8-12]㊂2008年Yang 等[8,13]首次提出MAM 的概念,它的基本声学单元由弹性薄膜㊁薄膜上的质量块及支撑框架组成,其声波传播介质为弹性薄膜,在附加质量块的调控作用下产生局域共振,可以控制低频声波的传播特性,从而具有良好的低频宽带隔声效果㊂此后,Naify 等[14-17]制备了一种圆形MAM 结构,通过分析声学响应发现其动态质量密度为负,在100~1000Hz 的传输损失较质量定律预测的结果显著增加;该团队设计了一种多单元方形MAM 结构,进一步研究了质量块对MAM 隔声量的影响,通过改变单元之间的质量分布可以形成多个隔声峰㊂在结构设计基础上引入多元材料可更高效地提升隔声性能[9-12,18-19]㊂Ciaburro 和Iannace [9]利用回收的软木膜和图钉㊁纽扣制作了新型的MAM 结构,在200~600Hz 内展现出较好的隔声效果,有效地利用了能源和原材料;Ma 等[10]设计了一种由柔性橡胶制成的轻质MAM,框架由柔性乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)或塑料制成,这种结构打破了散射体和基体需要较大弹性模量和密度差异的限制,在500Hz 以下可以打开一条完全声禁带㊂多个谐振子的合理分布能大大丰富声学超材料的耦合振动模式,从而有效调控声波的传递特性[18-24]㊂Zhou 等[12]将四片金属箔薄片作为质量块谐振子与十字形柔性EVA 摆臂结合附着在聚酰亚胺薄膜表面上,在80~800Hz 有效拓宽了传输损失带宽,平均传输损失比均匀EVA 板高12.2dB;Cheng 等[19]设计了一种锯齿形卷曲空间多振子结构,它可以产生具有单极性㊁偶极性和多极性特征的米氏共振,对声波产生了更好的操纵能力㊂然而以往的研究更多的是关注谐振子对称结构设计,鲜有研究将多个谐振子的不对称结构设计引入到薄膜超材料中探究其隔声性能㊂实际应用中,薄膜材料往往会以大面积的结构形式应用于类混响声场条件下,尽管MAM 结构在100~1000Hz 展现出良好的隔声性能,但目前所设计的MAM 结构尺寸相对较小,多集中在十几毫米量级,且在低频区域,尤其是500Hz 以下,其隔声性能优化问题仍然未得到有效解决㊂本文将不对称性设计引入到薄膜超材料结构设计中,提出了月牙盘型的大尺寸非对称MAM 结构,计算了该结构的传输损失,并结合振动模态分析了MAM 结构低频隔声的作用机理㊂1㊀结构设计与计算方法图1为月牙盘非对称MAM 的结构示意图㊂其中灰色部分为正方形EVA 薄膜,该材料是一种通用的高分子聚合物,是目前汽车饰件中使用最广泛的隔音材料㊂晶格常数(即薄膜宽度)a =100mm,厚度h =0.02a ㊂中间部分为月牙盘型非对称质量块,材料为铁,其几何参数r =0.2a ,R =0.3a ,H =0.1a ,e =0.07a ,n =0.14a ㊂边缘部分是铝质金属边框,厚度t =0.1a ㊂三种基本组件的材料物理特性参数如表1所示㊂图1㊀月牙盘型MAM 单胞结构及相关的结构参数示意图Fig.1㊀Schematic diagram and structural parameters of the crescent disc type MAM unit cell㊀第8期闫文惠等:大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究1443㊀表1㊀MAM 结构材料参数Table 1㊀Parameters of MAM structureMaterial Elastic modulus,E /106Pa Density,ρ/(kg㊃m -3)Poisson ratio,μEVA 0.0659500.46Iron 10.0078600.221Aluminium 7.0327000.350本文采用有限元法对MAM 结构的隔声性能开展研究㊂现有的理论和实验研究均表明,利用MAM 中结构单元在声波激励下的反共振特性可以实现远高于质量定律的隔声量㊂类比于弹簧振子,附加质量可视为振子小球,薄膜视为振动弹簧㊂当入射声波垂直入射时,考虑薄膜受张力的微变形作用,薄膜的振动微分方程可表示为[25]D Δ4ω(x ,y ,t )+T Δ2ω(x ,y ,t )+ρeq ∂2ω∂t 2=0(1)式中:D 为薄膜的弯曲刚度,T 为薄膜张力,ρeq 为等效面密度,ω(x ,y ,t )为薄膜表面任一点(x ,y )在t 时刻的垂向位移㊂假设入射波为平面波,则薄膜垂向位移可表示为关于时间t 的函数ω(x ,y ,t )=W (x ,y )e jωt (2)式中:W (x ,y )为薄膜振动的主振型相位㊂去掉时间相关项,即可得到薄膜结构的振动特征方程Δ2W +k 2W =0(3)式中:k 为波数,k =ω/c ;ω为平面波角频率;c 为空气中的声速㊂将式(3)按照模态叠加理论进行求解,利用模态函数的正交性得{ω2(M m +M s )-K T }[ ω]=0(4)式中:M m 为薄膜面密度矩阵,M s 为附加质量的质量矩阵,K T 为薄膜张力刚度矩阵㊂由式(4)可得MAM 的一阶固有频率为f =12πK T M m +M s (5)在计算结构传输损失曲线时,为了减少计算量,构建如图2所示的腔体结构㊂模型主要由薄膜-质量块结构单元和声场两部分构成,薄膜-质量块结构将声场分为入射声场和透射声场两个部分㊂为模拟低频噪声的声源特性,设置平面波辐射,同时添加完美匹配层用来完全吸收边界处的透射声,以避免边界反射㊂为了保证没有声波对外界透射,真实地模拟声场的入射及出射情况,四周边界设置为硬声场边界条件㊂整个腔体长为500mm,材料设置为空气,空气中的声速c 0=343m /s,空气密度ρ= 1.25kg /m 3㊂在腔体结构的上侧边图2㊀用于计算传输损失的MAM 有限元仿真模型Fig.2㊀Finite element structure for the calculation of the transmission loss of MAM 界垂直入射平面波激励,并在结构的下侧边界上拾取响应,计算两者的差值得到结构的传输损失(transmission loss,TL)[26],其单位为分贝:TL =10lg W inW out ()(6)式中:W in 与W out 分别为入射声能与出射声能,即为W in =ʏS1p 2inc 2ρ0c 0d S W out =ʏS2p 2tr 2ρ0c 0d S ìîíïïïï(7)式(7)中的S1与S2分别对应图2腔体结构的上侧边界与下侧边界㊂2㊀结果与讨论2.1㊀传输损失使用多物理场仿真分析软件COMSOL 对薄膜-质量块结构进行有限元仿真㊂采用声固耦合研究模块,约1444㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷束薄膜边界位移用于替代外部框架[27-28]㊂对薄膜初始平面施加1ˑ104Pa 的预应力,月牙盘非对称型MAM 结构的隔声效果如图3所示㊂月牙盘非对称型MAM 结构在10~500Hz 声波研究范围内,出现两个传输损失谷,一个传输损失峰㊂隔声量随频率的增大先减小,在第一阶固有频率处(175Hz,图中的A 1点)达到最小值1.07dB(该处为第一传输损失谷),然后逐渐增大,在峰值频率处(295Hz,图中的A 2点)达到最大值64.51dB (该处为第一传输损失峰),接着传输损失发生突变开始降低,在305Hz 处降低到29.23dB(对应图中的A 3点,该处为第二传输损失谷),此后再缓慢增加㊂在10~160Hz MAM 结构的隔声量高于传统的质量作用定理[29],在低频处具有很好的隔声效果,最高有40dB(10Hz 处对应的隔声量),最低有17.5Hz(160Hz 处对应的隔声量,即图中实心三角形所对应的频率)㊂把10Hz 到第一隔声谷值所对应的频率称为隔声频带,在本研究中月牙盘型MAM 结构的隔声频带为10~175Hz㊂对不同结构质量块的隔声量进行对比计算,结果如图4所示㊂其中空心图标和实心图标分别代表质量定理和有限元法计算得到的隔声量曲线㊂图中正方形图标为圆形质量块MAM 的隔声量,该结构在140Hz 处产生了隔声谷且隔声频带(10~140Hz)与月牙盘非对称型质量块相比明显较窄,未出现其他的共振峰㊂圆形图标曲线为椭圆质量块MAM 的隔声量,该结构在150Hz 处产生隔声谷且初始隔声量较低(29.5dB),在10~150Hz 的隔声性能较月牙盘非对称型MAM 结构也相对较低,虽存在2个隔声峰,但与月牙盘型MAM 结构的隔声峰相比其对低频隔声量的影响较小㊂图中三角形图标曲线为月牙盘型质量块MAM 的隔声量,该结构在340Hz 处出现隔声谷,但隔声量明显低于(初始隔声量为28dB)月牙盘非对称型,且在10~500Hz 内未出现共振峰㊂由以上对比研究可以看出,月牙盘非对称型MAM 结构与不同结构质量块对称的MAM 结构相比传输损失谷值提高至1.07dB,隔声频带拓宽至175Hz,表现出良好的隔声特性㊂图3㊀月牙盘型MAM 的隔声量曲线Fig.3㊀Sound insulation curves of the crescent discMAM 图4㊀不同MAM 结构的隔声量曲线Fig.4㊀Sound insulation curves of different MAM structures 2.2㊀隔声机理分析为探究隔声机理,采用长波假设下的数值方法对所设计的模型的有效动态面积质量密度进行计算,结果如图5所示㊂图中的质量密度用ρeff =P / a 来计算,P 和 a 分别是MAM 面上的平均压力和平均法向加速度㊂由图5(a)可知,有效动态面积质量密度在第一传输损失谷值处(175Hz)趋于极大,并且与第一传输损失峰(295Hz)和第二传输损失谷处(305Hz)相对应㊂该结果与Langfeldth 和Gleine [25]的研究结果一致,声学超材料的良好传输损失与有效动态面质量密度密切相关[5,13,30]㊂实际上,他们之间的关系可以表示为STL =10lg[1+(ωρeff /2ρ0c 0)2][5]㊂峰值频率处有效动态质量密度趋于极大值,这与平均法向加速度 a 有关㊂图5(b)中A 1点处,即第一隔声谷处(175Hz),平均加速度振幅 a 只有0.08m /s 2,较最大加速度2.17m /s 2相比小了两个数量级㊂相比之下,在A 1点处的有效动态质量密度应趋于极大,与图5(a)对应㊂进一步对10~500Hz 频率范围内的振动模态进行分析,如图6所示,图中箭头的长短和方向表征位移的大小和方向㊂可以看出,MAM 在f <175Hz 时,薄膜和质量块振动同向两者的运动相位一致,随着频率的升高二者的振动不断加强,整个单元的振动方向和入射声波反向,这主要是因为质量块振动使其远场声辐射为零,从而在低频出现较好的隔声量㊂在A 1(175Hz)处,薄膜和质量块振动仍为同向,但相位明显与之前相㊀第8期闫文惠等:大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究1445㊀反,整个单元的振动方向与声波同向,此时的负的等效质量为极大值,表明MAM 被入射声波激励发生了强烈的共振行为,入射的声波没有被任何反方向的声波抵消,此时产生第一个波谷㊂此后随着f >175Hz,薄膜和质量块出现反向耦合振动,等效质量密度也迅速变为负值㊂反向振动的单胞结构会逐渐辐射出与入射声波互为反相位的反射声波,即入射压力声场会被幅值相同㊁相位相反的反射压力声场抵消,使得向前传播的声能逐步衰减㊂在A 2点(295Hz),反向振动的变形分量促使单胞的正负位移相互抵消㊂此时,两个振子之间的相互反向协同行为促使MAM 的振动位移达到极小,不利于声能的向前传播,从而形成隔声峰㊂这种具有极小位移的振动模式被称为动态平衡模式,这种模式有利于声能向弹性应变能的转移,整个单胞MAM 结构在入射波与反射波的共同作用下应变能达到最大,振动能量无法向前传播㊂当f >295Hz,等效质量迅速趋于极大,同时加速度幅值趋于零㊂A 2(295Hz)和A 3(305Hz)处的振动模态图极其相似但振幅不同㊂在305Hz 处,振动集中在椭圆质量块处,形成第二个传输损失谷㊂这两个频率点所对应的振动模态均由月牙和椭圆质量块的反向振动所致,且整体振动幅度达到最小,此时,月牙盘非对称型MAM 结构表现出偶极式的反共振模式,此种模式下入射声能分裂成2个声场能量平衡区域,入射声能可以得到充分的抵消和转移,这就是典型的局域耗能机理㊂当f ȡ350Hz 时,薄膜和质量块振动虽同向,但振动相位显然不一致,这就导致大量的声能被薄膜聚集,在高频区域展现出较好的隔声性能且结构的隔声量不再发生突变㊂图5㊀相同频率下月牙盘非对称型MAM 的有效质量密度(a)和加速度幅值(b)Fig.5㊀Effective dynamic area-mass density (a)and acceleration amplitude (b)under the same applied frequency of the crescent disc asymmetric MAM 根据共振机理不同,可以分为Lorentz 共振与Fano 共振㊂其中Lorentz 共振只涉及一种模态,在频谱中呈现对称的谱线形状㊂当涉及多种模态的耦合时,将在频谱中表现出非对称的谱线形状,并呈现多处突变,被称为Fano 共振㊂其中Fano 谐振公式为[31]I (ω)=(q +ε)21+ε2(8)式中:I (ω)为频率响应;ε为归一化的调谐频率;q 为Fano 参数,定义为两种相互干涉模态的强度比值,影响着Fano 共振频谱的非对称性,被用于描述两个模态耦合的情况下,材料对入射波的响应情况㊂由于两个模态的相位响应不同,当二者互相影响时,其谱线并不是简单的强度叠加,当两种模态存在π的奇数倍相位差时,会出现干涉相消的情况,在谱线中表现为谷值,则会出现类似于文中提到的传输损失突变的情况㊂在共振峰处,频率响应函数I (ω)的幅值很大,即使对结构施加很小的激励能量,结构也会产生非常大的振动,因而在共振峰处,结构很容易被激励起来,形成隔声谷;而在反共振峰处,频率响应函数的幅值很小,在这个频率处进行激励,即使激励能量再大,结构也没有响应或者响应很微弱,即在反共振峰对应的频率处结构很难被激励起来,从而形成隔声峰[32]㊂共振峰对应的频率是结构的固有频率,因而是结构的全局属性,但是反共振峰是结构的局部属性㊂1446㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图6㊀月牙盘型MAM 结构的振动模态Fig.6㊀Vibration modes of crescent disc MAMstructure 图7㊀Fano 共振概述图Fig.7㊀Overview diagram of Fano resonance 由于各振动模态的Fano 参数q 的不同,相位响应也不同,导致在不同特征频率处展现出不同的共振模式,如图7所示㊂从图中可以看出,当q =0时,在特征频率附近的频率响应呈现Lorentz 共振模式,这是由于q =0时,两种模态有一种的强度为0,不存在干涉的情况;当q =ʃ1时,此时两种模态的能量最为接近,频率响应呈现标准的Fano 共振的非对称特性㊂同理,当q 值逐渐趋向于无穷时,频率响应又会变为Lorentz 共振模式㊂因此,本研究中在100~220Hz 声波范围内,结构表现为Lorentz 共振,在295~305Hz 处表现为Fano 共振㊂由此可见,质量块的不对称性丰富了MAM 结构的振动模态和耦合模式,耦合模式的多样性提升了MAM 结构的隔声性能㊂同时,MAM 结构的隔声频带的宽度取决于相应区域内的共振行为,这表明只要合理设计对应区域的结构,调控隔声频带带宽至理想的频段是可行的㊂㊀第8期闫文惠等:大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究1447㊀3㊀偏心量及主要参数对隔声性能的影响为有效优化MAM 结构的隔声性能,对薄膜㊁质量块的尺寸,质量块的位置,以及预应力等结构参数对隔声量的影响进行了研究㊂图8㊀预应力对非对称月牙盘型MAM 隔声量的影响Fig.8㊀Influence of prestress on sound insulation3.1㊀预应力对隔声性能的影响预应力对本研究中MAM 结构隔声量的影响如图8所示,取图1和表1中的材料参数和几何参数保持不变,其中曲线分别代表薄膜面内不同的拉伸预应力㊂由图可知,随着薄膜预应力的增加,第一隔声谷值对应的隔声量逐渐减小,与周期性边界条件固定薄膜方程的规律一致㊂同时,随着薄膜预应力的增加,隔声峰值对应的隔声量也随之减小㊂通过调节薄膜预应力大小,可以实现同一频率处不同隔声量的有效调控㊂研究结果和Huang 等[33]的研究结果一致,MAM 结构的隔声量会受到薄膜材料张力的影响㊂3.2㊀MAM 结构参数对隔声性能的影响MAM 结构参数,包括薄膜厚度h 和大小a ㊁质量块的高度H 和尺寸R 分别对隔声量的影响如图9(a)~(d)所示㊂其中,h 和a 分别在0.5~3.0mm 和100~150mm 变化,H 和R 分别在7~12mm 和25~40mm 变化㊂从图9(a)可知,随着薄膜厚度h 的增加,隔声量发生了明显的变化,当厚度小于2.0mm 时,第一隔声频带较窄,低频隔声性能相对较差㊂当薄膜厚度继续增大后,在低频处的隔声性能越来越优异㊂隔声量谷值由0.19dB 增加到7.1dB,隔声频带也越来越宽,由10~55Hz 增加到10~175Hz㊂薄膜较薄(ɤ1.0mm)时,在10~500Hz 内出现两个隔声峰,但第二个隔声峰对应频率相对较高,约370Hz㊂随着薄膜厚度的增加,当薄膜厚度增加到3mm 时,虽整体隔声量较高,但隔声峰出现在500Hz 之后㊂由此可知,薄膜厚度会对月牙盘型MAM 的隔声量和共振模式产生明显影响㊂从图9(b)中可以看出,当a 在100~150mm 变化时,随着a 的增加,低频隔声性能明显降低㊂当a ȡ110mm 时,隔声频带变窄,突变对应的频率逐渐向低频移动,在10~500Hz 范围内明显产生2个隔声峰,但第二个隔声峰出现的频率相对较高(245~470Hz)㊂由此可见,随着MAM 尺寸的进一步增大虽在高频出现较好的隔声性能,但明显其低频隔声性能较差㊂由图9(c)可知,随着质量块高度H 的增加,低频隔声频带范围变窄,同时,突变处对应的频率也随着质量块高度的增加逐渐向低频移动㊂在图9(d)中,随着质量块R 的增加,低频隔声量增加且隔声频带显著变宽,突变对应频率向高频移动,在低频的隔声性能相应提升㊂然而,随着质量块R 增大,薄膜与质量块耦合作用面积增加,虽然低频隔声频带变宽,但是质量块的质量也随之增大,给薄膜造成较大的承受压力从而导致振动模式的改变,因此,质量块R 太大在工程加工上研究意义较小㊂3.3㊀偏心量对隔声性能的影响为进一步了解不对称性对隔声量的影响,对质量块的偏心量进行了研究,分别计算了质量块向x 方向㊁y 方向和对角线位置移动时对隔声量的影响,如图10(a)~(d)所示㊂在2mm 的移动范围内,不对称性增加有利于低频隔声量的提升㊂随着质量块向y 方向移动,在高频处明显出现2个共振峰,表明在y 方向的不对称性对高频影响更明显㊂质量块在对角线正方向和负方向的移动对隔声量的影响如图10(c)㊁(d)所示㊂当质量块向对角线正方向移动时,低频隔声量显著增大且隔声曲线的突变向高频移动㊂当质量块向对角线负方向移动时,隔声曲线的突变数量增加到2个,这表明质量块向对角线负方向移动对高频隔声的振动有明显影响,而向正方向移动则对低频隔声呈现更明显的影响效果㊂相较于中心质量单元设计,偏心质量单元设计使得空气㊁薄膜和质量块之间的耦合效果不同,通过改变质量块的偏心质量可增加设计的不对性从而对月牙盘型MAM 结构的隔声量进行优化调控㊂1448㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图9㊀MAM 结构参数对隔声量的影响Fig.9㊀Effects of MAM structure parameters on the soundinsulation 图10㊀质量块的位置对MAM 隔声量的影响Fig.10㊀Effects of moving mass block position on MAM sound insulation㊀第8期闫文惠等:大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究1449㊀3.4㊀旋转角度对隔声性能的影响最后分析了椭圆质量块的旋转角度对隔声特性的影响,如图11所示㊂图11(a)为旋转示意图,在月牙盘结构不变的情况下,对椭圆质量块进行旋转操作㊂当进行0ʎ~90ʎ旋转时,月牙盘型MAM结构在10~175Hz的低频范围内隔声量未受明显影响,但是突变处对应的频率及隔声量发生了明显的变化㊂突变的隔声谷值呈现先减小后增大再减小的趋势,在旋转90ʎ处最小为0.6dB,旋转60ʎ处最大为30.1dB,其隔声峰先增大后减小再增大㊂当没有进行旋转操作时,突变处的隔声量为62.3~29.1dB,但是随着旋转角度增大至90ʎ时,突变的峰值隔声量增大了40.1dB,谷值处的隔声量减小了28.5dB㊂因此,改变模型的不对称性显然能够改变模型的隔声量和隔声频率,但整体的影响规律尤其是突变处隔声量的影响有待后期深入的研究㊂图11㊀椭圆质量块旋转角度对MAM隔声量的影响㊂(a)旋转角度的初始坐标系;(b)隔声量随旋转角度的改变Fig.11㊀Effects of the rotation angle of elliptic mass on MAM sound insulation.(a)Initial coordinate system of rotation angle;(b)sound insulation curve with the changing angle4㊀结㊀㊀论本文针对大尺寸月牙盘非对称型MAM结构的低频隔声特性进行了研究㊂利用有限元法计算了该结构的传输损失及位移矢量场,详细分析了低频的隔声机理,并探究了薄膜和质量块的几何参数与质量块的偏心量对结构隔声性能的影响㊂对比月牙盘非对称型MAM结构与圆形质量块㊁椭圆质量块和月牙质量块MAM 结构的隔声量,结果表明,不对称性的引入使得月牙盘型MAM结构隔声频带低至10Hz,同时质量块的偏心设计优化了结构的隔声量㊂通过模态分析发现,月牙盘MAM结构在10~500Hz内同时具有Lorentz共振和Fano共振,多种共振模式的存在是提升MAM结构隔声性能的主要原因㊂其次,MAM的结构参数和对椭圆质量块进行旋转等均对MAM结构的隔声量产生不同程度的影响,为后期MAM结构低频隔声特性的优化提供了设计思路㊂本工作的研究结果丰富了质量块和薄膜之间的耦合设计方式,不对称性和大尺寸柔性设计可以简单灵活地与传统的板状隔声材料进行组合应用,可为夹层板式的声屏障设计提供设计思路,为低频MAM的工程化应用提供新的思路,为MAM结构的研究提供了理论参考㊂参考文献[1]㊀陆智淼,蔡㊀力,温激鸿,等.基于五模材料的圆柱声隐身斗篷坐标变换设计[J].物理学报,2016,65(17):174301.LU Z M,CAI L,WEN J H,et al.Research on coordinate transformation design of a cylinderical acoustic cloak with pentamode materials[J].Acta Physica Sinica,2016,65(17):174301(in Chinese).[2]㊀BURRA S,KAR A.Nonlinear stereophonic acoustic echo cancellation using sub-filter based adaptive algorithm[J].Digital Signal Processing,2022,121:103323.[3]㊀LIU Z,ZHANG X,MAO Y,et al.Locally resonant sonic materials[J].Science,2000,289(5485):1734-1736.[4]㊀OLSSON R H,EL-KADY I.Microfabricated phononic crystal devices and applications[J].Measurement Science and Technology,2009,20(1):012002.[5]㊀ZHANG H,XIAO Y,WEN J H,et 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力学超材料研究进展与减振降噪应用
力学超材料研究进展与减振降噪应用
尹剑飞;蔡力;方鑫;肖勇;杨海滨;张弘佳;钟杰;赵宏刚;郁殿龙;温激鸿
【期刊名称】《力学进展》
【年(卷),期】2022(52)3
【摘要】力学超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合结构或复合材料,具有天然材料所不具备的静力学/动力学性能.由于这些超常特性通常取决于微结构单元而非材料组分,这就为力学性能调控和结构功能材料设计提供了新思路.本文在简述力学超材料概念的提出、发展及其超常力学性能的基础上,以装备减振降噪工程需求为牵引,重点探讨力学超材料在水声调控,空气声吸隔声降噪,结构减振抗冲设计等方面的应用探索及发展趋势,为相关领域的科研及工程人员提供一定参考.
【总页数】79页(P508-586)
【作者】尹剑飞;蔡力;方鑫;肖勇;杨海滨;张弘佳;钟杰;赵宏刚;郁殿龙;温激鸿
【作者单位】国防科技大学装备综合保障技术重点实验室;国防科技大学智能科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB53;O424
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题：上海市轨道交通减振降噪技术的应用与发展5.声学超材料减振降噪技术在载人航天工程中的应用研究
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2017年第11期 信息通信2017 (总第 179 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.N o 179)声学超材料局部共振微结构研究进展李帅\李向荣\李帆2,王国辉1(1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072;2.陆军北京军事代表室，北京100107)摘要:声学超材料是一类经过特殊设计的人工复合结构。
由于它结构尺寸单元远小于声波波长，具有很多自然材料所不 具备的特殊性质，日益受到关注。
对于声学超材料的研究不到20年，论文简述了负有效质量与负体积模量的原理，介绍 了近年来声学超材料多种微结构的设计方法，对比分析了不同微结构的带隙形成原理及应用前景,对于具有特殊功能的 超材料研究与运用具有一定的指导作用。
关键词：声学超材料;局域共振;负等效质量；负体积模量中图分类号:〇429 文献标识码:A文章编号:1673-1131(2017)11-0042-03〇引言超材料(Metamaterial),是一种特殊复合结构或材料，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得天然材 料所不具备的超常物理性质。
基于逆向结构设计理论的超材料研究最先起源于电磁波领域。
1968年，前苏联理论物理学家VeSelag〇[1]首次提出了超材料(左手材料)概念，电磁波通过 时，这种材料的磁导率(H)和介电常数(e)同时为负，宏观上表 现出反常多普勒效应，负折射等现象。
声波作为一种弹性波，和电磁波存在很大差异，但是仍然有许多相似的特征。
特别是对于声波方程的质量密度、体积模量可以和麦克斯韦方程的介电常数、磁导率一一对应。
类 比于电磁超材料，便有了声学超材料(Acoustic Metamaterials，AMM)的概念，它是由不同弹性模量和质量密度的材料构成 的周期性人工复合结构，对弹性波或声波具有带隙阻隔效应，主要应用于隔振、声隐身、波导、成像等方面。
声波或弹性波 在其中传播时，不仅能够实现自然界中不存在的负声学特性，而且还具有声学隐身、亚波长成像、逆折射/反射、单一路径传播、以及能量聚焦等功能。
1声学超材料基本理论概述2000年，Liu18等人在《Science》上发文首次提出了声学超 材料的概念。
声学超材料又叫弹性超材料(Elastic Matamaterial)或局部共振(Local Resonant)型超材料，与声子晶体(Phononic Crystals)不同的是声学超材料基于局部共振原理形成带隙分 布，而声子晶体则基于布拉格(Bragg)散射机制形成带隙。
由于声子晶体对布拉格散射机制的依赖使之不适宜低频 域下的波处理和振动隔离,这是由于低频域下波长较大，会导 致低频隔振时声子晶体的结构非常庞大，使之很难在小尺寸 得到低频带隙。
而对于局域共振型超材料，禁带的位置和宽 度主要是由散射体的局域共振特性决定的，与他们的排列方 式无关。
通过引进特殊设计的局部共振微结构，超材料带隙 可以在一个较低的频域下产生，这样所能控制的波长就可以 远大于超材料微结构本身，所以应用更加广泛。
2004年,L i和Chan®将有效质量概念应用到声学超材料 中，同时在他们的研究过程中发现有效密度与弹性模量可以同的位置，对于温度过高的设备也是如此，虽然不能直接通过 APP对温度过高的设备进行断电处理，但也可以通过第一时 间确定位置，以高效的速度采取措施。
另外，通过设置，工作 人员可以选择让自己责任范围内的设备优先显示，这样就可 以及时对自己负责的设备进行检修与养护，实行责任化分区 管理，会更利于设备的养护。
(6) APP报警对于重大的故障，要对网络内连接的所有用户进行警报 处理，然而对于区域内的小问题，或是设备温度稍微偏高的问 题，只需对直接的责任人以及相关部门进行警报处理,以促进 问题的解决[3]。
这就要求APP设置的灵活性，本系统之下，所 有的用户都会有唯一的账号，在平台搭建初期，操作人员需要 将所有APP用户的账号依据职责和职权进行分类处理，在平 台内构件出一套虚拟的电力工作者工作网络图，依据工作网 络图对工作人员的APP显示以及警报进行分类处理'(7) 安全问题APP具有信息交互功能，为了避免无关人员利用电网工作 人员的手机向总平台输入错误的指令，需要在用户输入指令 后，确定指令有效之前，要求APP用户输入确认身份信息的独 立密码，并且需要依据全责，明确软件内信息的提取、利用权限。
(8) 界面设计为了便于广大基层工作者的使用，减轻人工培训的负担，本APP采用相对简洁的界面，力求让使用者一目了然,翻页式的视觉设计之下，种种信息都清晰的以模块式的表达形式展现在使用者面前，使用者只需要简单了解体验，就可以应用本系统。
警示功能启动时，醒目的警示信息会伴随警示音乐直接出现在用户的屏幕上，无论此时使用者是否在使用软件，都可以接到警示提示。
4结语变电设备、通电设备的检测与维护往往需要较大的人力投入，本文研究的基于安卓系统的在线热成像温度监测软件可以有效地实现对于变电、通电设备的远程监控，并且直接地信息传递到工作人员的手机上，极大地简化了电力系统工作人员对电力设备进行维护的工作步骤。
参考文献：[1]邓晓刚，陈卫红,杨明辉.过程控制实验装置实时监控软件开发[J].实验科学与技术,2014,12(6):57-59.[2]张艳，田竞，叶逢春，等.基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制[J].高压电器,2005, 41(2):91-94.[3]杨智超，黄小乔，陈飞宇，等.基于红外通信的温度实时监控系统的设计[J].电子制作，2016(13):5-6.[4]孙宇贞，胡超,方永辉.基于MLX90621红外传感器的开关柜温度无线监测系统设计[J].红外,2016, 37(12):13-18.42时为负，并指出负质量密度意味着对某一点施加一个外力，它 的位移方向与受力方向相反，而且由牛顿第二定律可知这一点 所受力的方向与加速度方向也是相反的，由此得出了在振动频 率接近局部共振频率时有效质量密度会出现负值的结论。
目前大部分研究人员对于声学超材料的研究都侧重于一 维杆状结构，他们所建立的子结构胞元大都是由集中质量与 理想弹簧构成的，并且这种子结构胞元还可以产生一个有效 带隙，使某一个频率范围内的弹性波无法向前继续传播。
一 维声学超材料结构可以很好地应用于理论研究，但是一维声 学超材料结构的应用范围很有限，实际应用最广的往往是二 维、三维结构。
2声学超材料微结构类型及发展无论是质量、密度还是体积模量在某一频域内为负值，那 么将会导致这一频域变为阻带。
负等效质量类型超材料的实 现方式较为多元，其低频共振特性通过附加声振子质量获得。
负体积模量的实现相对单一，空气中亥姆霍兹共振器几乎是 唯一途径,水中则为气泡共振体[4]。
通常人们将声学超材料按 照负参数的不同分为负等效质量超材料、负体积模量超材料 以及“双负”超材料。
而本文本则按照形成带隙结构形式的不 同进行分类，主要有:弹簧质量型微结构、穿孔形微结构(Perforated micorastructural)、薄膜型微结构 以及亥姆霍兹型等。
2.1弹簧质量型微结构在初始时期对声学超材料的研究，往往在简单的弹簧一质 量晶格结构上对其频率阻带的分布进行研究，如图1所示气 这是由于制造出这种结构比较容易，而且对建立模型进行数 学分析也易于实现。
所以目前以弹簧质量结构为基础所设计 出的超材料应用也是最为广泛。
21^[«等人利用弹簧质量模型对二维声学超材料薄板结构 进行了研究，这种连续结构用于研究具有谐振器的弹性超材 料中的波动和带隙。
与应用一般的连续性理论相比较，其有 效的质量密度与频率相关且为负，微观结构连续模型的最大 优点是局部的微观结构的变形或运动与附加的运动变量有关。
弹簧质量局部共振微结构对于弹性波的阻隔效果很好, 所以这种结构被大量应用于机械隔震，建筑隔震等方面。
同时由于中心的质量块在高频地振动，可以在质量块外部加装 磁场，这样在隔震的同时还可以发电，在发动机等产生振动又 消耗电能的装备上也有很大的潜力。
2.2穿孔形微结构基于布拉格散射机制，通过在金属平板上周期性布置通 孔便能产生能量带隙，阻隔弹性波的传播。
但是孔的直径需 要与所控制的波长相匹配，这样便导致在低频域内声子晶体 的体积急剧增大。
为了使具有紧密排列通孔结构的平板能够 在低频域下产生带隙，可以在通孔中添加局部共振机制来实 现。
2010年Sun ra等人通过在圆形通孔下方覆盖一层薄膜来 组成微结构的一个共振单元，如图2所示。
单元结构中圆孔 是由机械加工而成，钢质样板是由16x10个小孔组成,孔的半 径为4.475mm、孔深5.05mm、薄膜厚度为0.29mm,所产生的带隙分布为173到212k H z之间。
虽然以上结构可以产生负 参数超材料，但是通过去除体积的方式会导致材料整体结构 强度下降，部分区域在受力过程中会产生应力集中，这会极大 地阻碍它在实际工程中的应用。
图2添加薄膜后的微结构细节图Yanyu Chen®则设计了一种能够衰减声波或振动波传输 的连续微结构，其带隙机制是由局部共振与布拉格散射共同 影响下形成的。
值得注意的是，能产生宽频率带隙分布的结 构中，桁架结构占有更小的空间体积，意味着这种结构在将来 的轻量化超材料设计中具有很大潜力；并且这种机械增强型 超材料结构能够应用于恶劣环境中，如深水工程中高静水压 力与高动态加载共存的情况。
2_3薄膜型微结构通常来讲噪声衰减是声学超材料应用最广泛的一个方面,薄膜——平板型超材料与其他超材料相比，通常而言质量更 轻，而这一特点对于噪声调节来说至关重要。
它们一般具有 形状简单、易于调节有效参数的特点，最重要的是通过特殊设 计可以获得宽频带分布的负有效质量。
此外，薄膜形平板声 学超材料不会强烈依赖于精确的有效媒介特性，比如，只要有 效质量为负值、产生大的传声损失即可。
薄膜形超材料通常而言具有两种大的类型，一种是薄膜 中心附带有质量块的结构，另一种则不带有质量块。
Yang™等 人首先设计出了薄膜型声学超材料，如图3所示。
在圆形弹 性薄膜上固定质量块，并将薄膜拉伸后固定于框架内部，能在 200~300H z内形成负等效质量，通过改变中心质量块的大小或 薄膜的张力会产生不同的带隙分布。
由于单个振动单元只能 产生一个带隙，为实现宽带隙下的波衰减，可将多个膜状局域 共振声材料叠堆起来，每一片工作在不同的频率区间,这样就 能够拓宽总体的有效频带，能够很好地实现低频下衰减声波 的轻量化结构设计，更符合工程应用。
A_/fi/-W-\f7图3中心附带质量块的薄膜微结构薄膜形超材料质量轻盈是其最大优点，但是在实际应用 过程中，薄膜对于应力变化极为敏感(如温度变化及湿度变化 都可能对薄膜施加不同程度的应力），而这一变化会影响到整 个超材料板的功能实现。