Page 26 - 《应用声学》2019年第6期

928 2019 年 11 月

边界条件设置为固定约束，质量块和薄膜之间的连 130 ᠏᧚ڱࠕए
125 4 mm 6 mm 8 mm
接也采用固定约束。当入射平面波撞击在这种胞元
120
结构的平面阵列上时，通过声扩散体胞元结构表面，
115
互相干涉产生特定的反射场。通过调整作为二次声 110
源的薄膜超材料表面亚波长尺度胞元，有序安排声 ܦԍጟ/dB 105
波的波前。基于此，选择运用 PET 薄膜并在其表面 100
95
附加质量块，将其拓展到三维以实现本文提出的声
90
学扩散体的设计。 85
80
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
2 分析与讨论 ऻए/rad
图 3 质量块大小变化对扩散性能的影响
由声学理论可以得出入射平面波以正入射的
Fig. 3 Effect of mass size change on diffusion per-
方式直接传播到构件上，会引起薄膜附加质量块的
formance
震动，通过对张力的调节以及薄膜材料的选择，各个
单元结构之间的微小差异得到不同的反射波相位 130
125
以及不同扩散角度的反射波。以 3000 Hz 为例，调
120
节薄膜张力，分别附加 1 MPa、3 MPa、5 MPa 的张
115
力，得到如图 2 所示的结果，从结果可以看出，随着 110
薄膜张力的增加，扩散声能显著增加，减少了声能转 ܦԍጟ/dB 105
化为扩散体振动产生的内能。当张力由1 MPa增加 100
95
到 5 MPa 时，扩散瓣的平均声压级由 120 dB 增加
90 ᑿງ4 mm
到 135 dB。同时三种张力情况下，扩散体的扩散均 85 ᑿງ6 mm
ᑿງ8 mm
匀性保持良好。质量块的大小对扩散体的性能的影 80
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
响如图 3 所示，质量块厚度不变，宽度由 4 mm 增大 ऻए/rad
为 6 mm、8 mm 会增加扩散声能的耗散，均匀性略
图 4 腔深变化对扩散性能的影响
微减弱，等效质量的增加使得薄膜超构表面声扩散 Fig. 4 Effect of cavity depth variation on diffusion
体的阻尼增加，从而扩散瓣的平均声压级几乎都削 performance
减了5 dB。而随着背腔深度增大，扩散声能增加，如
在实际情况中，声学扩散体通常需要用于有限
图4所示。
频带的声学信号，并且非常需要宽的工作频带。为
了在频率变化时定量评估不同扩散体的性能，采用
140
1 MPa 3 MPa 5 MPa
135 了一个扩散系数参数，通常用于表征特定频率下扩
130
散的有效性，公式定义如下 [18−19] ：
125
( n L i (φ)/10 ) 2 ∑ L i (φ)/10 2
n
ܦԍጟ/dB 115 d φ = i=1 10 − i=1 (10 ) , (2)
∑
120
n
110
∑ L i (φ)/10 2
105 (n − 1) (10 )
100 i=1
95 其中，L i (φ) 是极性响应中以分贝为单位的声压
90 级，n 是接收点数量，下标 φ 是入射角。通过控制施
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
ऻए/rad 罗德扩散体和薄膜超构表面声扩散体的尺寸都为
图 2 薄膜张力变化对扩散性能的影响 87.1 cm×81.7 cm 来比较两者之间性能的差异。通
Fig. 2 Effect of film tension change on diffusion 过调节薄膜超构表面声扩散体胞元的张力，可以对
performance 应用频带进行调节。这些明显优势取决于薄膜超构