[发明专利]一种多元胞协同耦合声学超材料结构设计方法

说明书

本发明公开了一种多元胞协同耦合声学超材料结构设计方法，该方法分为局域化刚度不足的结构设计方法和局域化刚度足够的结构设计方法两种；其中，局域化刚度不足的结构设计方法，采用局域化刚度低于薄板刚度的分隔框架来分隔局域共振元胞，使得单个元胞之间产生强耦合共振行为，并形成具有集总耦合共振效应的多元胞组合结构；局域化刚度足够的结构设计方法，采用局域化刚度高于薄板刚度的分隔框架，使得单个元胞之间的共振在设计频带内互不影响，进而通过多个薄板宽度、薄板厚度或附加质量块重量结构参数梯度分布的元胞组合成多元胞组合结构。本发明可以应用于各种载运工具和各种建筑装饰中，为创造低噪声环境提供了全新的降噪方案。

技术领域

本发明属于声学超材料技术领域，具体涉及一种用于实现低频宽带超强声衰减的多元胞协同耦合声学超材料结构设计方法。

背景技术

现有隔声结构一般都是笨重且厚度大的均质板材，很难满足对轻量化要求较高的领域的实际降噪需求。此外，这些均质隔声结构的隔声性能服从质量定律的变化规律，在高频段隔声效果较好，但在低频段隔声性能非常差。这严重制约了载运工具隔声部件和厅堂隔声结构的设计，对低频隔声提出了技术挑战。近年来发展起来的声学超材料为低频吸声、隔声和减振等提供了新的解决方案，特别是薄膜类结构，可以通过超薄和超轻的结构实现低频吸声和隔声。然而，由于这些设计都依赖于结构的局域共振特性，只能实现窄带声衰减。虽然采用多层结构可以获得宽带隔声性能，但厚度成倍增加，不利于实际工程应用。考虑到在很多实际应用场合中，噪声都是宽带的，因此，设计低频宽带吸声和隔声结构就显得非常必要。

2000年，香港科技大学沈平教授课题团队在Science杂志上发表论文，提出了具有动态等效负质量密度的局域共振声子晶体，打破了晶格尺寸和声波波长之间的约束关系，为低频振动与噪声控制提供了新的思路。之后，研究者们提出了大量的局域共振声子晶体结构，并提出了声学超材料的概念。在隔声方面，2008年，杨志宇等提出了一种具有动态等效负质量密度的二维薄膜型声学超材料，以厚度低至毫米量级的超薄轻质结构在低频段窄带内获得了优异的隔声性能。随后他们通过多层叠加的方式，实现了低频宽带隔声。在吸声方面，2012年，梅军等设计出了具有低频宽带超强吸声性能的薄膜型暗声学超材料。由于薄膜型声学超材料具有结构厚度和面密度都比较小的优点，吸引了大量的研究人员的关注。

虽然薄膜和薄板型声学超材料从物理特性上看，也属于局域共振声学超材料。但是，考虑到其具有厚度小和面密度低的优点，有望成为解决工程实践中低频减振降噪问题的最佳选择，因此这里单独进行介绍，并将其确定为本论文的研究重点。薄板型声学超材料一般是在连续的薄板上，布置周期性的孔或柱，板的厚度、孔的和柱的尺寸和形状都是可调的。薄膜型声学超材料和薄板型结构有所不同，一般是采用框架分隔出单个元胞，并在薄膜上布置质量块。由于薄膜刚度不足以克服自身重力，需要施加张力才能传播振动。因此，在薄膜型声学超材料中，不但可以调整薄膜的单元尺寸和形状，还能调节薄膜张力。此外，通过改变质量块的形状、重量、数量、位置都可以调整单元的共振频率和声学特性。

对薄板和薄膜类结构的研究已经有很长的历史，早在1957年，Cohen等就对带质量块的固定边界圆形薄膜进行了研究，揭示了这种结构的振动特性和共振频率的影响因素。1964年，Romilly给出了刚性圆柱管中边界固定薄膜结构振动频率和振型的解析解，获得了平面波入射条件下结构的共振频率、反共振频率和透射率。该项研究还表明，薄板结构也有相似的特性，包括双层板结构。1984年，Kriegsmann等研究了薄膜的声散射行为，并探索了流体与薄膜的相互作用，表明流体会降低薄膜的共振频率。1985年，Ahluwalia在长波极限下，采用匹配渐近展开法研究了薄膜和薄板对单色平面声波的散射特性。1995年，Norris等对薄膜和声波的声固耦合相互作用进行了研究，深入分析了衍射系数随频率的变化规律，提出了准共振现象。2006年，Amabili等研究了带质量块的矩形薄板结构分别在简支和固定边界条件下的振动特性，分析了质量块的转动惯量对振动频率的影响。2007年，Bonello等在长波极限下，对薄板中的Lamb波传播规律进行了研究，并探索了薄板表面涂层产生的影响。