供稿人：尹文成、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-11-24
對(duì)于中高頻噪聲通常使用雙層隔音墻、多孔纖維材料、多孔泡沫材料等傳統(tǒng)材料或結(jié)構(gòu)，但此類方法隔絕低頻噪音通常需要非常厚的尺寸，不適合緊湊的環(huán)境。局域共振聲子晶體為低頻噪聲的控制提供了方案：常用局部共振超材料按結(jié)構(gòu)可分為膜式聲學(xué)超材料和板型聲學(xué)超材料，膜式聲學(xué)超材料通常將質(zhì)量粘附在薄膜上，膜的張力難以精準(zhǔn)控制，結(jié)構(gòu)耐久性也不夠；而板型沒(méi)有這一缺陷。
但傳統(tǒng)板型聲學(xué)超材料想要實(shí)現(xiàn)寬頻帶隔聲就得設(shè)計(jì)的很厚，不利于應(yīng)用，因此本文設(shè)計(jì)了一種層壓聲學(xué)超材料（LAMS），通過(guò)面內(nèi)梯度參數(shù)與局部共振單元厚度方向的層級(jí)層壓并行耦合，可以同時(shí)拓寬帶寬并增加振幅。基于對(duì)兩層SLAM的數(shù)值分析，本研究討論了傳輸損耗（TL）的結(jié)果和層間疊加耦合隔聲的工作機(jī)理。LAMS的TL分析揭示了其在低頻寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)隔音效果的能力。通過(guò)半解析方法和小規(guī)模阻抗管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本研究中數(shù)值分析的準(zhǔn)確性。本文提出的LAMS在各種高噪聲機(jī)械設(shè)備或工作場(chǎng)所的寬帶降噪控制方面具有巨大的潛力。[1]
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：層壓聲學(xué)超材料由兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的單層聲學(xué)超材料（SLAM）組成，分別為SLAM-A和SLAM-B，兩層SLAM之間有一定的空氣間隙。SLAM-A中單胞尺寸相同，內(nèi)部有多種不同大小質(zhì)量塊并且不均勻分布，而SLAM-B中單胞尺寸不一樣。
圖1 （a）LAMS組成示意圖（b）兩層SLAM的幾何尺寸（c）LAMS各部件的厚度尺寸
對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲性能分析，結(jié)果表明，單個(gè)SLAM-A和-B的工作頻段依然局限于較小的范圍，單獨(dú)使用效果不夠理想，因此為了進(jìn)一步提高隔聲能力，拓寬隔聲頻帶，這里考慮設(shè)計(jì)成在厚度方向串聯(lián)兩者的超材料形式，中間預(yù)留一定的空氣間隙。結(jié)合后的隔聲曲線如圖所示，隔聲范圍結(jié)合了兩者各自的頻段，且隔聲的峰值遠(yuǎn)超單個(gè)超材料，這表明所設(shè)計(jì)的LAMS可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)隔音。
圖2 LAMS的傳輸特性曲線（為了便于比較，給出了SLAM-A和SLAM-B的傳輸特性以及與LAMS具有相同表面密度的質(zhì)量定律預(yù)測(cè)結(jié)果）
之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)樣件如圖所示，兩塊層壓板之間用鋁框架隔開。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異，但是隔聲峰值和谷值頻率存在相似性，結(jié)果可靠。
圖3（a） 實(shí)驗(yàn)樣品照片（b） LAMS樣品組合示意圖
與現(xiàn)有的隔聲超材料相比，本文提出的LAMS具有厚度薄、工作頻帶寬、隔聲幅度高等優(yōu)點(diǎn)，在各種高噪聲機(jī)械設(shè)備或工作場(chǎng)所的寬帶降噪控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。