Page 259 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 伍守豪等： 薄膜型声学超材料的发展与展望 255

料基础理论也可以结合人工智能算法来优化解析 现阵列结构的隔声曲线并非两种单元隔声曲线的
模型，Peng 等 [45] 将有限元分析和基于遗传算法的 简单叠加，而是在两种单元隔声曲线的交点处形成
克里金代理模型相结合，优化了薄膜结构参数，同时 隔声峰。同时，他们通过在阵列结构中设置不同质
获得目标结构的关键参数。这种方式使得结构优化 量的质量块来改变隔声峰。
难度降低，计算效率得到了提升。
A: ᨂኮଌ݀ B: ஃ୞಴౶ C: ᘙᒛ D: ᠏᧚ڱ
2 薄膜型声学超材料结构设计
A A
2.1 薄膜分布调整及质量环结构设计
C C
人们不仅能通过薄膜型声学超材料的理论分 D
析，对各种参数与模型进行调整来得到期望声学效 B D B
22
果，还可通过设计薄膜、质量块和框架环等结构来 11
(a) ᫼ѵፇ౞ [48] (b) ӭЋፇ౞ [48]
达到期望声学效果。Yang 等 [46] 从二维薄膜 -质量
块结构出发，从薄膜的垂直分布上考虑，在结构上又
提出了多层薄膜结构。通过对比单层、双层和四层
薄膜结构，发现四层薄膜结构有更好隔声效果。四
层薄膜结构以 60 mm 总厚度和 15 kg/m 面密度，
3
在宽频带 50~1000 Hz 范围内，得到平均 STL 大于
40 dB。不同于堆叠MAW结构，Naify等 [47] 提出将
传统 MAW 结构的附加质量块改为同轴型质量环，
不同环数的结构如图1所示。通过改变环的数目、质 (c) ԥࡏӭЋፇ౞ [49] (d) ԥࡏ᫼ѵፇ౞ [49]
量分布以及环半径大小进行研究，发现增加环数量 图 2 阵列隔声性能分析
会使得隔声峰得到增加，其中附加峰的数量与附着 Fig. 2 Analysis of sound insulation performance
环的数量相对应；质量分布在中心质量和环质量之 of array structure
间的均匀性会影响隔声峰的宽带；增大环半径会对
在结构设计中，环的处理存在很多方式。Chen
隔声性能产生负面效果，会降低隔声峰带宽。
等 [51] 设计了一种由两个膜和两个环块组成的环膜
A A 耦合结构，如图3所示。这种结构同时具有偶极共振
D
D C E 和单极共振特性，能够显著地扩宽衰减带宽。此外，
C
通过改变质量大小和膜张力，可以调节传输损耗峰
值频率。
B B

20 mm
A: ஃ୞಴౶; B: ᘙᒛ; C: ᠏᧚ڱ; D: ဗ1; E: ဗ2
(a) ӭဗፇ౞ (b) ԥဗፇ౞ ᠏᧚ဗ
图 1 多环结构 [47]
Fig. 1 Multiring structure [47] x
z 30 mm 36 mm 96 mm
Naify 等 [48−49] 设计了一中心对称四单元阵列 y ࣱ᭧ฉ
结构，将薄膜进行阵列分布，其每单元都是薄膜 -质
量块结构，如图2所示。他们研究了该单元结构隔声
特性和相邻单元间耦合的影响，并通过调整薄膜单 ᘙᒛ1 ᘙᒛ2
Ο᣸
元间的质量分布，成功实现在较宽频率范围内的多
频隔声。Zhang 等 [50] 将 Naify 具有相同对角质量 图 3 耦合环膜结构 [51]
块的阵列结构与对应单元的隔声曲线进行比较，发 Fig. 3 Coupled ring membrane structure [51]