Page 123 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 陈龙虎： 声学超材料对低频噪声的消声特性 443

总体刚度减小，薄膜的特征频率降低，使得传递损失 由0 kPa增加到2 kPa。得到如图9所示的传递损失
峰值对应的频率偏移 30 Hz。实验结果与仿真结果 曲线：压力由 0 kPa 增加到 2 kPa 时，传递损失曲线
基本一致，从而验证了仿真结果的正确性。 第一阶频率比较集中，第二阶频率由540 Hz 偏移到
720 Hz，共偏移了180 Hz。

60
0 kPa
0.5 kPa
1.0 kPa
͜᤬૯ܿ/dB 20 2.0 kPa
1.5 kPa
40

0
0 200 400 600 800 1000
ᮠဋ/Hz
图 7 褶皱型声学超材料结构
图 9 压力大小与传递损失的影响 (仿真)
Fig. 7 Folded acoustic metamaterials
Fig. 9 The effectof pressure and transfer loss (sim-
ulation)
15
0°
10° 3.2 薄膜消声性能实验
20° 在图 6 所示实验装置的基础上，对扭矩棒施加
͜᤬૯ܿ/dB 5 的压力由 0 kPa 增加到 2 kPa，得到如图 10 所示的
10
30°
传递损失曲线。传递损失第一阶频率基本不变，第
二阶频率由 550 Hz 偏移到 720 Hz。因为随着压力

0 增大，薄膜向下凹陷越大，薄膜预应力增大，系统刚
0 200 400 600 800 1000
度增加，使得传递损失峰值对应的频率向高频偏移
ᮠဋ/Hz
图 8 扭转角度与传递损失关系 170 Hz。实验结果与仿真结果基本吻合。
Fig. 8 The relationship of torsion angle and trans-
30
fer loss 0 kPa
0.5 kPa
1.0 kPa
3 对扭矩棒施加压力的大小对传递损失 20 1.5 kPa
2.0 kPa
的影响 ͜᤬૯ܿ/dB

由上述研究可知薄膜扭曲对传递损失的影响 10
并不大，只偏移了 30 Hz，因此为了进一步扩大消 0
0 200 400 600 800 1000
声性能，通过对扭矩棒施加压力的方式来降低薄 ᮠဋ/Hz
膜的刚度从而实现频率的大范围偏移。首先利用
图 10 压力大小对传递损失的影响 (实验)
COMSOL 软件对薄膜声学超材料消声性能进行仿 Fig. 10 The effect of pressure on transmission loss
真，然后进行实验，与仿真进行对比得到施加压力后 (experiment)
的声学超材料消声能力。
4 结论
3.1 薄膜消声性能仿真分析

为了验证施加压力后的声学超材料对传递损 本文首先对薄膜结构的振动特性进行理论分
失的影响，利用图 4 所示的声学超材料共振网格模 析和有限元分析，接着通过仿真与实验研究声学超
型，不同的是对扭矩棒施加了垂直向下的压力，压力 材料的消声性能。得到如下结论：