基于平面型声学超材料的吸声特性研究

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由于传统吸声结构通常具有结构尺寸较大、污染环境、吸声频带窄、吸声效果差等诸多缺点,所以一种结构轻巧、环境友好、吸声频带宽、吸声效果好的人工复合结构——声学超材料应运而生,本文提出的基于折叠空间的声学吸声体就是一种声学超材料结构,由于这种结构具有结构尺寸小、环境友好、和宽带低频吸声等诸多的优点,因此比传统吸声材料具有很大的优势。在本文中,我们先研究了多孔吸声材料结构的吸声效果,并将多孔吸声材料结构和穿孔板共振结构体组合在一起构成复合穿孔板结构,改进后的复合穿孔板结构在一定的低频范围能够高效吸声,但其低频吸声带宽仍然相对较窄,因此本文将提出一种以含有空气背衬层的多孔吸声材料结构为基础的改进结构——基于折叠空间的多孔吸声体组合结构,这种改进后的结构能够在低频宽带范围内很好的吸收噪声,甚至在一些频率点出现完美吸声。本文的主要研究内容可以分为以下几个方面:第一、对是否含有空气背衬层的多孔吸声材料结构进行研究分析,从对这两种结构的仿真结果分析得知,加有空气背衬层的多孔吸声材料结构的吸声效果好于不含空气背衬层的多孔吸声材料结构,具体表现在:在中低频范围内,含有空气背衬层的多孔吸声材料结构的吸声性能明显优于不含空气背衬层的多孔吸声材料结构。此外,增加多孔吸声材料的空气背衬层厚度,其作用相当于加大多孔吸声材料的厚度,可以提高材料对低频声波的吸收效果,这样的做法可以节省材料并比增加多孔吸声材料的厚度所付出的成本要小得多。第二、我们将多孔吸声材料紧贴在穿孔板末端构成复合穿孔板结构体,在对这种结构的仿真结果分析以后,我们确定了这种结构在低频处比传统的穿孔板共振结构体和含有空气背衬层的多孔吸声材料结构具有更好地吸声效果。同时随着孔径的减小,复合穿孔板的共振频率往高频移动,结构的最大吸声系数会呈现先增加后减小的变化趋势,最高达到96%的吸声效果;而随着多孔吸声材料厚度在一定范围内增加,共振频率往低频移动,吸声带宽逐渐增加,结构的最大吸声系数会呈现先增加后变缓的趋势,最终维持在95%的吸声系数。第三、在对上面几种结构分析中,我们发现复合穿孔板结构体在低频段的吸声性能明显优于其它两种结构。虽然复合穿孔板结构体在低频吸声具有一定的优势,但是频带仍然较窄且低频处的平均吸声系数较低。为了能够对低频声波进行宽带吸声我们提出了一种优化方案——将多孔吸声材料结构与折叠空间结构体组合在一起形成组合结构。我们将这种组合结构下的吸声系数与前面所涉及的几种结构进行了对比,证实了该组合结构体能够在400Hz~1600Hz范围内的吸收系数可达到80%以上,在低频处具有1200Hz的高效吸声频带宽度,甚至能在频率点1160Hz处出现完美吸声。
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