Page 118 - 应用声学2019年第5期

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结构。相比于原先改变密度的方法，使用改变厚度
0 引言
的方法制作的薄膜声学超材料拥有更加优良的吸
低频噪声控制是噪声控制中极具挑战的一个 声性能，且易于实现。
综上所述，本文旨在优化拥有质量非对称结构
方向。低频声波传播距离远，普通的线性材料例如泡
的吸声型薄膜声学超材料的结构形式，将其制作为
沫复合板，其耗散功率与声波频率二次方成正比，低
易于加工制造的声学超材料样品，并使用声学阻抗
频吸声效率很低 [1] 。薄膜吸声超材料 (Membrane-
管测试系统对样品的吸声性能进行测试，进而利用
type acoustic metamaterials, MAM)通过在张紧的
仿真结果分析样品的吸声性能，提升该类声学超材
薄膜上固定刚性金属片，通过增加共振模式提高了
料的实用性。
低频声波在薄膜吸声超材料内部的能量密度；金属
片拍动时与弹性膜接触边界包含增强的弹性曲率
1 理论模型及仿真
能量，与声波辐射模式耦合作用微弱，形成了类似共
振腔的声波强吸收 [2−5] 。薄膜吸声超材料虽然实现 图 1 展示了本文设计的声学超材料仿真模型，
了亚波长共振结构的低频有效吸声，但存在吸声频 该模型由四个单胞组成，每块单胞中固定的薄膜
段窄、吸声系数低等问题。 相互独立。薄膜上嵌有厚度不同的半圆形质量片，
2012 年， Mei 等 [5] 制备出吸声型薄膜声学超材 半径为 6 mm，其厚度按照等差数列的形式有序排
料，将厚度为 0.2 mm 的半圆形金属片对称固定在 布 [8] 。不同厚度质量片分布情况由图2示出。
张紧的硅胶薄膜上，实验结果显示，吸声型薄膜声 0
学超材料样件在 100 ∼ 1000 Hz 内产生了多个共振 20
40
吸收峰，实现了 “单片薄膜超材料实现宽频吸声” 的
10
效果。随后，Yang等 [6] 制备了基于单极共振和偶极 5
0
共振形式的双层超材料结构，实验结果显示，在特 -5
定频率附近，吸声系数达到 99.7%。2014 年，Chen 
z 
等 [7] 通过理论分析证实单层薄膜吸声超材料的吸 x y 

声系数不会超过0.5，但吸声单元上布置的金属片数
量会影响吸收峰的数目。2015年，Yang等 [8] 得到了 图 1 结构建模示意图 (单位: mm)
与 Chen 相同的结论，Yang 等将不同质量的金属片 Fig. 1 Schematic diagram of structural modeling
固定在 8 个单元的薄膜上，实现了 200 Hz ∼ 1 kHz
范围内的多个共振吸收峰，但仅有 4 个吸收峰的吸
Ԓए7 Ԓए8
声系数超过0.2。
2017年，程宝柱 [9] 将上述不同质量金属片对称
固定薄膜上的结构定义为质量非对称结构，相同金
Ԓए5 Ԓए6
属片非对称固定在薄膜上的结构定义为位置非对
称结构，并对两种结构薄膜吸声超材料的吸声机理
进行了研究。研究发现，位置非对称型薄膜声学超
材料虽然理论上能在薄膜上累积较多弹性应变能， Ԓए3 Ԓए4
但实际仿真结果并不理想；通过对每一个质量片赋
予不同的密度组成的质量非对称结构在高频区域
的吸声系数有明显提升，按照升序或降序排列的结 Ԓए1 Ԓए2
构吸声系数较为稳定。但密度梯度因为材料选择的
问题难以实现。 图 2 质量片厚度分布示意图
本文采用了另一种质量非对称结构的表现形 Fig. 2 Thickness distribution of different mass
式，即通过赋予质量片不同的厚度实现质量非对称 sheets