Page 159 - 《应用声学》2022年第6期

第 41 卷 第 6 期 葛丽丽等： 经典局域共振型水声超材料的吸隔声性能研究 1005

the overall displacement of the that the displacement field of underwater acoustic metamaterial structure and
steel backing will have an impact on the sound absorption performance. The steel backing enhances the overall
displacement of the structure through resonance, which not only significantly improves the sound insulation
performance of the structure, but also enhances the sound absorption performance of the structure, while the
displacement field affects the sound absorption performance through the displacement amplitude, the larger
the displacement amplitude, the better the sound absorption performance of the structure.
Keywords: Underwater acoustic metamaterials; Sound absorption and insulation performance; Locally reso-
nance
等 [11−12] 研制了一种由嵌入周期性分布的平板散
0 引言
射体 (PSs) 的黏弹性涂层组成的吸声体，结果表明
声学超材料是一种人为设计由多种材料组成 该吸声体的吸声效果优于没有添加PSs的相同涂层
的周期性或非周期性几何结构，其结构尺寸远远小 所做的吸声体，且通过适当地选择参数，可以实现吸
于波长 [1] ，能够实现在特定波长内或特定频率间的 声体在多个频段近乎完美的吸声效果。此外 Zhang
声吸收、异常折射以及声聚焦等奇特现象。朱一凡 等 [13] 通过在两个弹性涂层的界面处嵌入周期性信
等 [2] 通过推导二维窄井中广义斯奈尔定律提出反 号调节板 (SCPs)，可有效增强吸声效果，特别是当
射声波和结构梯度之间存在的规律，验证了声波的 两种涂层速度相吻合，甚至在宽频内实现全吸收。

可调性。张忠刚等 [3] 在传统的薄膜型声学超材料中 张宪旭等 [14] 基于不同短管布置位置的 Helmholtz
引入质量非对称结构，制备了能够实现低频宽带吸 共振腔设计了一种带波导的声学超材料，研究发现
声样品。而陈龙虎 [4] 通过 Helmholtz共振腔与声学 基于 Helmholtz 共振腔阵列的声学超材料在 1170∼
超材料薄膜耦合，也实现了较大范围的低频噪声控 2200 Hz 频段内均具有良好的吸声性能，声场内声
制。罗英勤等 [5] 则将目光转到水下声学超材料的吸 压级下降超过 10 dB，吸声频段可达 1000 Hz，适用
声性能，提出了一种含周期性空腔结构并对于吸声 于低频噪声的控制。此外可通过多层不同局域共
性能进行优化研究。目前水下吸声性能是水声超材 振频率的超材料叠加或采用单层具有多个尺寸的
料研究的重点方向之一，但寻求一种小尺寸、低频 共振子来拓宽低频水声吸声频带 [9,15] 。据此吴健
带宽的水声超材料结构也一直是个难点 [6] 。 等 [16] 设计了由一张薄板上附加周期性排列的多个
经典的局域共振型超材料则是通过对结构参 悬臂梁式板组成的多频局域共振型声子晶体板结
数进行设计优化，拓展低频吸声宽带，产生了如基于 构，该结构拓宽了吸声低频，使吸声频带整体向低频
多层局域共振型声学超材料的宽带吸声板结构，在 移动。
相应的共振频率下，板的每一层都可以作为一个近 尽管上述有关局域共振水声超材料的研究涉
似独立的单元振荡，宽带吸声器的吸声性能明显优 及吸声性能，但缺乏多层平行介质局域型水声超材
于只含一种局部共振散射体的吸声器 [1] 。Wen等 [7] 料的研究。故本文从经典的局域共振型吸声超材料
将局域共振理论引入水声超材料吸声性能的设计， 出发，考虑吸声材料的尺寸要求，建立一种多层平行
通过在黏弹性聚合物中填充软橡胶层包覆的金属 介质局域共振型水声超材料结构，最后通过仿真计
核作为局域共振子，观察到了局域共振频率处的吸 算该水声超材料的性能效果。
声性能显著增强。Zhong等 [8] 则据此研究了单周期
嵌入无线长非同轴圆柱的黏弹性板的低频吸声特 1 水声超材料的模型设计
性，得出在 500∼3000 Hz 频率范围内，钢圆柱核心
位置会显著影响吸声效率，并且利用黏弹性板和钢 本文从经典局域共振型超材料出发，设计一种
背衬的位移场揭示了吸声机理。并且在聚合物后添 水声超材料结构 (示意图见图 1(a))，并研究该结构
加不同性质的背衬板可显著影响吸声效果。如添加 的吸隔声性能。该模型采用平面波入射法计算吸声
钢背衬板，钢板越厚，该吸声峰值越往低频移动 [9] 。 系数和传递损失。设柱状水域左表面为声压入射面，
通过调节局域共振散射体的形状、偏心角等，可调节 空气域右表面为声压出射面。入射声功率和出射声
局域共振频率的位置及该处的吸声带宽 [10] 。Zhang 功率可以分别对声波入射面、声波出射面进行积分：