Page 40 - 《应用声学》2025年第2期

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and the multistate anti-resonance modes of five structures are analyzed, and it is found that the modes of the
star-shaped pendulum arm plus eight mass block is the most abundant. Through reasonable design of structure
and material parameters, the anti-resonance mode can be changed to a certain extent, and the bandwidth of
the sound insulation curve can be adjusted to the required frequency range. The accuracy of the simulation
method is verified by sound insulation experiments.
Keywords: Membrane-type acoustic metamaterials; Pendulum arm structures; Sound insulation performance;
Modal analysis

亥姆霍兹腔的力学与声学特性，使得该结构有较好
0 引言
隔声性能。通过调整振动模式可以使 MAMs 派生

噪声不但影响人们的生产生活，对其身体造成 出更多的反共振模式，从而达到拓宽隔声带宽的目
伤害 [1] ，还会影响设备的使用及其寿命，严重的会 的 [24−26] 。Zhou 等 [27] 为了解决反共振模态离散问
出现工程事故，造成财产损失，因此有效的降噪必不 题，提出了具有连续多态反共振模态的十字型摆臂
可少 [2] 。声学超材料为消声降噪提供了研究思路。 式薄膜声学超材料结构。发现薄膜加质量块和十字
声学超材料是由声学结构单元周期排列在基体材 摆臂结构所得到的隔声量具有更宽带宽和更高隔
料构成，具有负质量密度及负体积模量等特性，它打 声量。Cao等 [28] 将仿生配置理念引入到设计中，以
破了质量作用定律，使其能够在质量较小的时候依 减轻结构质量和拓宽低频衰减带宽，并受蜘蛛网拓
旧具有良好的低频隔声性能 [3] 。根据组成单元结构 扑结构的启发，提出两种基于聚合物膜和附加谐振
的不同，可以将声学超材料分为杆状结构 [4−6] 、亥 器的模型，两种结构均能在低频中达到较好的隔声
姆霍兹腔结构 [7−9] 、薄板类结构 [10−12] 、薄膜型结 效果。
构 [13−15] 等。其中薄膜型声学超材料 (Membrane- 基于上述研究，本文通过改变质量块数目和摆
type acoustic metamaterials, MAMs) 因其简单构 臂结构，将薄膜划分出多种不同的多态反共振模式，
造、质量小和占用空间小等优点而备受关注。 设计出4种摆臂式结构。结构由聚酰亚胺(PI)薄膜、
Yang 等 [16] 提出的 MAMs 是由附加质量块的 铝制摆臂、铁制质量块以及铁质框架构成，其具有
薄膜固定在框架上而构成，其共振频率附近的有 轻薄的应用特征，能产生连续的多态反共振模式，有
效动模量为负值，且能在 100 ∼ 1000 Hz 范围内打 较好的隔声性能。
破声衰减质量密度定律，实现亚波长尺寸的低频隔
声。该课题组随后又对 MAMs 的空间分布进行设 1 薄膜声学超材料隔声机理
计，在结构上提出多层的薄膜结构。通过对比单双
薄膜和 4 层薄膜结构，发现 4 层薄膜结构有更好隔 由声源发射的入射波在传播过程中遇到均匀
声效果 [17] 。可通过设计薄膜、质量块和框架环等结 屏障障碍物时，其传播路径会随传播介质特性的改
构来使 MAMs 达到不同的声学效果。随后，各种不 变而发生变化。如果障碍物是硬声场的边界，其阻
同结构的 MAMs 被设计出来。Naify 等 [18] 提出将 抗相当于无穷大，声波会完全反射；如果声音在两
MAMs 的附加质量块改为同轴型质量环，通过改变 种不同的介质中传播，但两种介质的性质差异非常
环的数目、质量分布以及环半径大小进行研究，发现 小，此时声音传播到两种介质的边界时，会完全传递
这些因素会不同程度地影响隔声峰的峰值、个数及 过去，没有声波的反射和吸收；如果两种扩散材料
带宽。在此基础之上，他们将薄膜阵列排布，设计出 的声阻性能不相等，声波撞击障碍物后，部分声能
中心对称四单元阵列结构，通过调整相邻单元间耦 会被障碍物反弹形成反射波，部分会被障碍物吸收，
合作用及薄膜单元间的质量分布，实现宽频带的多 剩下的会通过障碍物继续向前传播，即透射波。声
频隔声 [19−20] 。在环的处理上，可以采用双环双膜 波在具有不同阻抗的材料上传播，经过反射和吸收，
形成环模耦合结构 [21] ，或将环进行分裂式处理 [22] ， 最终通过该阻抗材料后得到的透射波比入射波能
使得结构具有不同的共振特性。Li 等 [23] 设计了一 量小，在这个过程中声源发射的入射波得到了减小，
种双层薄膜与亥姆霍兹腔组合的薄膜结构，不同双 该过程就是隔声的简易过程 [29] 。声波传播示意图
层薄膜设计使得结构有更多不同隔声峰，同时利用 如图1所示。