Page 30 - 《应用声学》2022年第6期

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其获得良好的隔声性能。刘忠远等 [14] 研究发现，降
0 引言 低薄膜面密度和薄膜张力的比值可以拓宽开孔声
学超材料隔声峰带宽，而在薄膜上附加质量则会减
声学超材料具有负等效质量密度、负等效体
小隔声峰值带宽。Lu 等 [15] 对偏心质量 MAM 结构
积模量、负折射效应等特性 [1] ，能突破传统声学
的研究表明，低频范围内的共振峰可通过调整薄膜
材料质量定律的限制，实现轻量化低频隔声。声
上偏心质量的配置来改变。陈龙虎 [16] 基于亥姆霍
学超材料按结构特征主要有薄膜型和薄板型两种，
兹共振腔与声学超材料薄膜耦合的消声结构研究
其中，薄膜型声学超材料 (Membrane-type acoustic
发现，褶皱型薄膜扭转角度和所受压力的增加均会
metamaterial, MAM) 由香港科技大学 Yang 等 [2]
使传递损失第二峰值频率向高频移动。
提出，并因其优异的低频声学性能吸引了众多学者
本文基于已有的研究，提出一种多质量块多子
的关注。
单胞的米字摆臂式声学超材料，面向汽车前围声学
目前，MAM的研究方法主要有解析法、有限元
包，开展其结构设计、隔声特性与影响因素分析、结
法及试验方法，其中有限元法较为普遍。Zhang 等 [3]
构优化与应用模拟研究，探讨该米字摆臂式声学超
提出一种快速计算 MAM 传声损失 (Sound trans-
材料的振动模式，以及将其应用于汽车前围声学包
mission loss, STL) 的解析方法，并结合有限元法对
提高中低频隔声能力的可行性。
声学超材料的本征模态进行了分析。Tian 等 [4] 通
过近似求解法求解了环形质量块 MAM 的振动偏
1 MAM单胞结构设计
微分方程，并结合有限元法分析了系统的 STL。Lu
等 [5] 利用有限元法分析了蜂窝状 MAM 的隔声性 MAM 单胞的结构包括质量块、薄膜和刚性框
能。Xing 等 [6] 利用有限元法分析了无质量块薄膜 架，其中薄膜为软质材料，可提供较大的弹性；质量
型声学超材料结构的STL和声透射系数。陈琳等 [7] 块为密度较大的硬质材料，可提供集中质量；刚性
基于有限元法分析了瓣型 MAM 结构的带隙特性 框架主要用于固定薄膜，因此，整个系统可看作为
及带隙优化规律。Ma 等 [8] 通过有限元法及驻波管 “弹簧 -质量” 系统。MAM 的低频隔声性能较好，但
测试分析了纯柔性轻质MAM的能带结构。Nguyen 对于单一质量块，其隔声频带通常较窄，因此，为拓
等 [9] 讨论了双层 MAM 阵列制成的声学面板的低 宽隔声频带，薄膜上通常采用多质量块分布形式，以
频隔声性能。Langfeldt 等 [10] 分析了可调式 MAM 产生较多的反共振波。
结构的本征模态和声传输损耗特性。已有的研究表 基于文献 [17] 提出的摆臂式 MAM，设计了一
明，MAM的隔声性能通常受其结构参数影响。苏继 种米字摆臂多质量块 MAM 单胞结构，如图 1 所示。
龙等 [11] 研究发现，质量块半径及质量块的质量对 为便于后期组合应用，该单胞设计为方形，米字摆
MAM 的 “带隙” 频率有明显影响，而薄膜弹性常数 臂布置于薄膜中心位置，其周边均布8 个质量块，质
则对 “带隙” 频率没有明显影响。叶超等 [12] 研究发 量块为圆形金属薄片，框架和摆臂均为 EVA 材料，
现，薄膜边缘预应力及厚度、质量块质量对 STL 峰 薄膜采用聚酰亚胺 PI 薄膜，初始预应力为 1 MPa，
值 (谷值) 对应的频率具有显著影响。张佳龙等 [13] MAM 单胞中各结构件的尺寸参数和材料参数如
研究发现，通过调整MAM的结构与材料参数，可使 表 1和表 2所示。

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(a) ጸੇᦊѬ z x (b) ࡇࠪԠ஝
图 1 MAM 单胞示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the MAM cell