聲學(xué)超材料是一種具有天然媒質(zhì)所不具備的超常聲波傳播特性的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合媒質(zhì),對(duì)低頻聲波有較好的調(diào)控效果。本文在大量調(diào)研已有聲學(xué)超材料的基礎(chǔ)上,以低頻和寬帶吸聲為目標(biāo),設(shè)計(jì)了一種由膜腔共振器（由薄膜、格柵及背腔組成）與外部環(huán)繞的多孔材料組成的新式聲學(xué)超材料,并通過(guò)對(duì)膜腔共振器單元的調(diào)控與組合優(yōu)化其聲學(xué)性能。模型建立部分基于有限元方法建立了聲學(xué)超材料在壓力聲學(xué)、熱粘性聲學(xué)及固體力學(xué)域之間的多物理的耦合模型,并引入聲學(xué)參數(shù)（吸聲系數(shù)、反射系數(shù)、透射系數(shù)）的概念用于衡量聲學(xué)系統(tǒng)的性能。通過(guò)薄膜振動(dòng)形態(tài)及聲速分布將能量耗散可視化,對(duì)入射聲波在聲學(xué)超材料中各組件中的耗散進(jìn)行研究,得到聲學(xué)超材料中能量的傳遞轉(zhuǎn)化規(guī)律�；诘刃Ы橘|(zhì)原理提取聲學(xué)超材料的等效質(zhì)量密度及等效體積模量,計(jì)算聲學(xué)超材料在入射平面的聲阻抗,并在復(fù)頻率平面圖中繪制出反射系數(shù)的零點(diǎn)與極點(diǎn),證實(shí)聲學(xué)超材料在低頻波段的完美吸收效果。在已建立的有限元模型及能量分析方法的基礎(chǔ)上,對(duì)聲學(xué)超材料單元各組件進(jìn)行參數(shù)化研究。分別研究了薄膜膜厚、格柵尺寸及背腔結(jié)構(gòu)（分層式、平行隔板式、螺旋式）對(duì)聲學(xué)超材料聲學(xué)性能的影響。以低頻吸聲為目標(biāo),對(duì)比分析了... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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亥姆霍茲共振器[7]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-展�？臻g盤(pán)繞的概念由Li等人[10]首先提出。這種結(jié)構(gòu)由如圖1-2所示的彎曲通道組成，改變單元尺寸或通道幾何參數(shù)就可以在較小的尺寸內(nèi)改變延遲聲波的傳播相位。由于其優(yōu)越的調(diào)控性能，這種空間盤(pán)繞超材料最初被用于模擬具有任意大折射率和相當(dāng)高的透射效率的聲梯度折射率透鏡。圖1-2空間盤(pán)繞聲學(xué)超材料原理[10]空間盤(pán)繞的概念使得龐大的聲學(xué)系統(tǒng)可以被壓縮到亞波長(zhǎng)尺寸，從而減小系統(tǒng)的整體厚度。這種思想與不改變亥姆霍茲共振腔整體尺寸而提高其低頻聲學(xué)性能的需求不謀而合，促進(jìn)了空間盤(pán)繞超材料在吸聲領(lǐng)域的應(yīng)用。Cai等人[11]通過(guò)將細(xì)長(zhǎng)的等徑法布里佩羅共振腔盤(pán)繞成圓盤(pán)型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)400Hz附近的低頻聲波完美吸收的效果。Li等人[12]則將等徑盤(pán)繞的背腔與穿孔蓋板結(jié)合，使得總厚度僅有13mm的聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在125Hz的低頻完美吸收，其厚度僅為共振頻率處聲波波長(zhǎng)的1/223。與之類(lèi)似，Wang等人[13]也通過(guò)盤(pán)繞背腔與穿孔板的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了低頻吸聲，并證明了較大的空間卷曲通道折疊數(shù)可以在不犧牲吸收峰總厚度的前提下顯著降低吸收峰頻率，如圖1-3所示。雖然空間盤(pán)繞結(jié)構(gòu)使得共振腔式聲學(xué)超材料突破了四分之一波長(zhǎng)的限制，得以實(shí)現(xiàn)小尺寸調(diào)控大波長(zhǎng)，其共振頻率單一的特點(diǎn)卻限制了腔式聲學(xué)超材料的進(jìn)一步發(fā)展。圖1-3空間盤(pán)繞聲學(xué)超材料應(yīng)用[12,13]等徑盤(pán)繞的腔式聲學(xué)超材料往往只在共振頻率點(diǎn)處出現(xiàn)一窄而高的吸收峰，而對(duì)非共振頻率的聲波幾乎不純?cè)谖兆饔�。為了突破這種窄帶吸收的限制，學(xué)者們嘗試提出了不等截面的盤(pán)繞腔。Chen等人[14]將兩段不等徑的法布里佩羅共振腔串聯(lián)拼接，并盤(pán)繞成圓盤(pán)狀。兩段細(xì)長(zhǎng)腔分別在各自的共振頻率達(dá)到了完美吸收，其展現(xiàn)出的整體效果如圖1-4所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-展。空間盤(pán)繞的概念由Li等人[10]首先提出。這種結(jié)構(gòu)由如圖1-2所示的彎曲通道組成，改變單元尺寸或通道幾何參數(shù)就可以在較小的尺寸內(nèi)改變延遲聲波的傳播相位。由于其優(yōu)越的調(diào)控性能，這種空間盤(pán)繞超材料最初被用于模擬具有任意大折射率和相當(dāng)高的透射效率的聲梯度折射率透鏡。圖1-2空間盤(pán)繞聲學(xué)超材料原理[10]空間盤(pán)繞的概念使得龐大的聲學(xué)系統(tǒng)可以被壓縮到亞波長(zhǎng)尺寸，從而減小系統(tǒng)的整體厚度。這種思想與不改變亥姆霍茲共振腔整體尺寸而提高其低頻聲學(xué)性能的需求不謀而合，促進(jìn)了空間盤(pán)繞超材料在吸聲領(lǐng)域的應(yīng)用。Cai等人[11]通過(guò)將細(xì)長(zhǎng)的等徑法布里佩羅共振腔盤(pán)繞成圓盤(pán)型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)400Hz附近的低頻聲波完美吸收的效果。Li等人[12]則將等徑盤(pán)繞的背腔與穿孔蓋板結(jié)合，使得總厚度僅有13mm的聲學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在125Hz的低頻完美吸收，其厚度僅為共振頻率處聲波波長(zhǎng)的1/223。與之類(lèi)似，Wang等人[13]也通過(guò)盤(pán)繞背腔與穿孔板的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了低頻吸聲，并證明了較大的空間卷曲通道折疊數(shù)可以在不犧牲吸收峰總厚度的前提下顯著降低吸收峰頻率，如圖1-3所示。雖然空間盤(pán)繞結(jié)構(gòu)使得共振腔式聲學(xué)超材料突破了四分之一波長(zhǎng)的限制，得以實(shí)現(xiàn)小尺寸調(diào)控大波長(zhǎng)，其共振頻率單一的特點(diǎn)卻限制了腔式聲學(xué)超材料的進(jìn)一步發(fā)展。圖1-3空間盤(pán)繞聲學(xué)超材料應(yīng)用[12,13]等徑盤(pán)繞的腔式聲學(xué)超材料往往只在共振頻率點(diǎn)處出現(xiàn)一窄而高的吸收峰，而對(duì)非共振頻率的聲波幾乎不純?cè)谖兆饔�。為了突破這種窄帶吸收的限制，學(xué)者們嘗試提出了不等截面的盤(pán)繞腔。Chen等人[14]將兩段不等徑的法布里佩羅共振腔串聯(lián)拼接，并盤(pán)繞成圓盤(pán)狀。兩段細(xì)長(zhǎng)腔分別在各自的共振頻率達(dá)到了完美吸收，其展現(xiàn)出的整體效果如圖1-4所示。


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