Page 161 - 《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 1007

和传递损失影响巨大，加钢背衬的水声超材料具有
2 仿真结果分析与讨论 更优的声学性能。第二阶段800∼2000 Hz频率范围

内，不加钢背衬的水声超材料吸声性能略胜一筹，但
本文采用有限元仿真计算软件声固耦合模块，
此范围内，两者的吸声系数在特定频点可以达到 1
计算该水声超材料的吸声系数和传递损失 (结果
的完美吸声效果，推测钢背衬的存在使吸声峰值前
见图 2)，并且对是否添加钢背衬两种模型情况的
移。而传递损失则相反，加钢背衬水声超材料的隔
吸声系数和传递损失进行分析对比。由图 2(a) 可
声性能同样优于不加钢背衬水声超材料，甚至在某
知，两种模型的吸声系数可以分为 100∼800 Hz、
频率点可达 7 dB 的差值。第三阶段 2000∼4000 Hz
800∼ 2000 Hz 和2000∼ 4000 Hz 三个阶段：第一阶
频率范围内，加钢背衬的超材料表现出更优异的吸
段 100∼ 800 Hz 频率范围内，加钢背衬水声超材料
声性能，传递损失则与第二阶段相同，加钢背衬水声
的吸声系数明显优于不加钢背衬的吸声系数，而在
超材料的传递损失远大于不加钢背衬的水声超材
此范围内，两种模型的传递损失均经历了 V 字型波
料，最大处可达接近 10 dB 的差值。由上述分析可
动，加钢背衬的超材料模型存在 200 Hz 的吸声系数
得，钢背衬在整个频段上都表现出良好的隔声性能，
峰值，不加钢背衬的超材料存在 300 Hz 的吸声系数
提高超材料隔声 5∼15 dB，对于提升超材料整体的
谷值，而在此阶段添加钢背衬的超材料对比不添加
隔声性能具有十足的优势。
钢背衬超材料则表现出较为优异的隔声性能，在最
为了对上述现象有更深刻的解释，引入超材
优处甚至能达到 13 dB 的差值。分析可得，在低于
料的位移场，并在 3 个吸声阶段内分别取 300 Hz、
500 Hz低频阶段，钢背衬对水声超材料的吸声性能
1200 Hz和2800 Hz三个中间频率点，研究分析两种
1.0 模型的位移走向和位移幅度，(见图 3(a)∼(f)，其中
0.9
箭头表示结构节点的位移矢量，箭头长度由位移幅
0.8
度决定)。通过对图3两种模型的位移场对比分析发
0.7
现，在中高频阶段钢背衬和超材料作为一个整体振
ծܦጇ஝ 0.5 动，比单独的超材料具有更突出的位移幅度，位移更
0.6
0.4 加明显，表现出明显的共振现象，此现象称为整体共
0.3 振，此外水声超材料在是否添加钢背衬两种情况下
దᨂᑀᛮ
0.2
௄ᨂᑀᛮ 模型都遵循整体共振模式。其中图 3(a)、图 3(b) 分
0.1
别是 300 Hz 下两种模型的俯视和剖面位移场图，从
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 两幅图中可以看出加钢背衬的水声超材料其场内
f/Hz
(a) ծܦጇ஝ 位移幅度较大。结合图 2(a)，该频率点加钢背衬水
声超材料的吸声性能也恰好明显优于不加钢背衬
85
的水声超材料，可见在低频范围内，添加钢背衬的
超材料其位移比单独的超材料位移更明显，表现出
80 更大的位移振幅，吸声性能较好；再结合图 2(b)，可
͜᤬૯ܿ/dB 75 得钢背衬可显著提高低频范围的隔声性能。图3(c)、

70 图3(d)则分别是1200 Hz下两种模型的俯视和剖面
位移场图，分析可得在该点下钢背衬和超材料作为
దᨂᑀᛮ
௄ᨂᑀᛮ 一个整体振动，其位移场幅度相对较大，且此范围
65
内加钢背衬超材料的传递损失也高于不加钢背衬
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 超材料。在中频范围内通过共振增大此频率范围内
f/Hz
(b) ͜᤬૯ܿ 位移幅度，增强该结构的隔声性能。图 3(e)、图 3(f)
图 2 水下超材料声学性能 则分别是2800 Hz 下两种模型的俯视和剖面位移场
Fig. 2 Acoustic properties of underwater metamaterials 图，该频率点下加钢背衬的水声超材料位移幅度同