膜型声子晶体原胞结构隔声性能试验研究_杨坤.pdf

：膜型声子晶体原胞结构隔声性能试验研究收稿日期：；修回日期：。作者简介：杨坤（），男，工程师，博士，主要研究方向为舰船总体、隐身技术。通信作者：杨坤，。杨坤，秦宇璇，吴恒亮（部队，北京 ；哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 ；上海船用柴油机研究所，上海 ）摘要：针对船舶舱室噪声低频控制问题，以一种薄膜型声子晶体原胞结构为研究对象，采用阻抗管法进行隔声性能试验研究，探究了不同配重质量、薄膜厚度和框架厚度对其隔声性能的影响规律。试验研究结果表明：配重质量、薄膜厚度和框架厚度增加均能提升薄膜型声子晶体的隔声性能，其中以配重质量影响最为明显；相较于无配重及单侧配重情况，双侧配重的薄膜型声子晶体隔声频段大幅拓宽，隔声量在中低频及高频显著增加，低频略有降低；增加薄膜厚度及框架厚度均可有效向低频拓宽薄膜型声子晶体的隔声频段并提高隔声量，以增加框架厚度，对低频隔声性能的提升更为明显。关键词：声子晶体；阻抗管法；隔声量；船舶噪声中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；第 卷第期 年月 海军工程大学学报 船舶噪声中的低频噪声一直是船舶噪声控制的难点问题，而传统材料和减隔振措施在此方面具有一定的局限性，因此寻求一种新型结构材料以满足船舶低频噪声控制需求具有重要意义。声子晶体作为具有禁带特性的周期性材料结构，能有效抑制其带隙范围内弹性波的传播，在减振降噪领域有广泛应用前景。对声子晶体的声学性能研究方面，温激鸿等将声子晶体简化为结构周期性的弹簧振子，运用数值计算和振动实验的方法分析了有限周期弹簧振子结构的振动和传输特性。吴健等设计了一种多频局域共振型声子晶体板结构，基于平面波展开法建立了其弯曲波带隙计算理论模型，分析了其带隙特性，并通过激光扫描测振仪测试证实了该结构的两个低频带隙。等提出了一种在矩形薄膜或圆形薄膜上附加任意形状质量块的薄膜型声子晶体隔声量求解模型，并用有限元计算验证了其有效性。秦晓春等基于 型理论模型探究并优化了种腔体形式声子晶体的能带结构，采用混响室半消声室法进行了降噪性能测试，结果表明沙漏型声子晶体降噪效果显著。薄膜型声子晶体是一种局域共振型声子晶体，其原胞结构由硬质框架、弹性薄膜以及质量块个部分组成。在入射声波激励下，薄膜型声子晶体将在其相应的本征频率处诱发共振带隙，从而阻隔特定频率的声波传递。利用这一特性，可大幅提高声子晶体的低频隔声性能，从而引起了研究人员广泛的关注和研究。例如，等提出了一种快速计算矩形薄膜上附加长方体质量块的薄膜型声子晶体解析模型，发现质量块对隔声曲线的第一波谷和第一波峰影响较大，而第二波谷主要受薄膜影响。等利用两层蜂窝状框架夹着一层轻质橡胶材料，设计了一种低频高隔声的声子晶体材料。牛嘉敏等 提出了一种吸收类薄膜型声子晶体，分析其共振质量块在薄膜上不对称分布时对吸声的影响，发现非对称结构的吸声带宽、整体弹性应变能远高于对称结构。综上，目前针对声子晶体结构设计及降噪特性研究较丰富，薄膜型声子晶体作为低频隔声性能更为优越的新型材料结构，现有研究多采用理论推导和数值分析方法，而采用试验方法探讨其声学特性规律的研究相对较少。因薄膜型声子晶体组分多、结构复杂，工艺成型难度大，理论计算结果与试验结果会存在较大差异，本文设计了一种薄膜型声子晶体原胞结构，制备了一系列标准试样，并采用阻抗管法进行隔声量测试，从试验角度分析了薄膜厚度、配重质量和框架厚度对声子晶体材料隔声性能的影响规律，为船舶舱室内低频噪声控制提供一定的理论支撑。阻抗管法测试原理抗管 隔 声 测 试 原 理 基 于 双 负 载 测 试 方法 ，在被测样件端面声阻抗不同的情况下，利用传声器测试两侧的声压数据，并以此构建传递矩阵方程，获取材料的隔声量。测试原理如图所示，左侧为声源，中间为测试样件安装区域，右侧末端边界条件可为开放或封闭，测试样件前后两端分别布置了个传声器。图阻抗管法测试材料隔声量 隔声测试时，阻抗管内声源发出沿管轴线传播的宽频带声波，近似为平面波形式。垂直入射到材料样件表面的声波，一部分被材料吸收，另一部分发生反射和透射现象。图中：、分别为入射声波、反射声波、透射声波；为在管底产生的反射波。隔声计算获取方式如下所述 。假设在阻抗管中只存在平面波传播，则声源管内任一点的声压表达式为（），。（）式中：和分别为声源管中入射声波和反射声波的复声压幅值。受声管内任一点的声压表达式为（），。（）式中：和分别为受声管中入射声波和反射声波的复声压幅值；为试样件厚度。布置的个声压传感器测量一次得到个声压值、和，表达式分别为 ；。（）海军工程大学学报第 卷解式（）得到平面波幅值，分别为（）（）；（）（）；（）（）；（）（）。声压幅值、之间的线性关系为 。（）定义声压投射系数为投射波幅值与入射波幅值的比值。在受声管中无反射波的条件下，则。分别在阻抗管末端开放和阻抗管末端封闭不同边界条件下进行两次测试，得到解式（）所需的个方程，可得。（）计算得到声传递损失，即材料的隔声量为 （）。（）薄膜型声子晶体原胞结构样件隔声试验.原胞结构试验样件模型选取薄膜型声子晶体原胞结构试验样件为测试对象（见图）。图薄膜型声子晶体原胞结构示意图 薄膜与框架之间通过胶层粘结，胶层厚度约为.，各部件材料属性如表所示。薄膜及框架结构为 材质，配重块采用不锈钢螺母替代。表薄膜型声子晶体原胞结构材料参数 结构材料密度 杨氏模量 薄膜 框架 .测试不同薄膜厚度、配重质量和框架厚度条件下薄膜型声子晶体原胞结构试验样件的隔声量，样件编号及尺寸信息如表所示。其中，配重质量（，）表示分别在框架上层薄膜配重（单位），在框架下层薄膜配重（单位）。典型试验样件如图所示。表试验样件编号和尺寸 编号薄膜厚度配重方案配重质量（，）框架厚度无配重单侧配重双侧配重双侧配重（，）（，）（，）（，）双侧配重双侧配重双侧配重（，）（，）（，）双侧配重双侧配重（，）（，）图薄膜型声子晶体原胞结构试验样件 第期杨坤 等：膜型声子晶体原胞结构隔声性能试验研究阻抗管隔声测试试验阻抗管法隔声性能试验测试设备包括阻抗管、信号发生器、功率放大器、扬声器、传声器、数据采集系统和分析处理软件（见图）。为满足方形试验样件测试，在圆形阻抗管测试段安装方形过渡段工装，测试方法及流程如图、图所示。试验时，首先将各设备仪器按序连接，进行系统调试，校准传声器，以确保数据的有效采集；然后，安装待测薄膜型声子晶体原胞结构试验样件并密封边界；最后，在阻抗管末端开启和封闭时测量噪声，对噪声数据进行处理，计算样件隔声量。图试验测试设备 图测试方法示意图 图测试流程图 薄膜型声子晶体隔声性能影响因素分析.配重质量对薄膜型声子晶体隔声性能的影响为分析不同配重对薄膜型声子晶体隔声性能的影响，以编号为、的试验样件为研究对象，配重情况依次为（，）、（，）、（，）和（，），分别对其开展隔声性能测试，测试得到的隔声特性如图及表所示。图不同配重薄膜型声子晶体隔声曲线 表不同配重薄膜型声子晶体隔声量峰值情况 配重情况隔声量峰值频点 隔声量峰值大小 隔声量高于 频率范围 无配重 单侧 双侧共 双侧共 由图和表可以看出：单侧配重及无配重情况下，薄膜型声子晶体隔声量均表现为低频隔声大、中低频隔声小的特点；相比于无配重情况，在单侧增加配重后，隔声峰值频点由 前移至 ，峰值降低，隔声频段由 拓宽至 ，隔声量在 频率范围内增量较大，增量约 。在双侧增加配重时，薄膜型声子晶体隔声量虽在 低频内略有降低，但隔声频段大幅拓宽至 ，且隔声量在 频率范围内增幅显著，相比于单侧配重情况增量约为 。还可以看出：双侧配重情况下，随着配重质量的增加，隔声曲线向低频偏移，且峰值有所降低；当配重达到 时，继续增加配重质量，隔声量提升不再显著。综合考虑隔声峰值、隔声频段以及结构质量因素，双侧配重（，）的薄膜型声子晶体的隔声性能较优，隔声量在 频段内均大于 ，频点处最大隔声量为 。薄膜厚度对薄膜型声子晶体隔声性能的影响为分析薄膜厚度对薄膜型声子晶体结构隔声性能的影响，以编号为和（配重），和（配重），和（配重）分组为试验研究对象，每组个样件配重重量相同，薄海军工程大学学报第 卷膜厚度分别为.和。对每一组模型样件分别开展隔声性能测试，测试结果如图及表所示。图不同厚度薄膜型声子晶体隔声曲线 表不同厚度薄膜型声子晶体隔声量峰值情况 配重情况薄膜厚度隔声量峰值频点 隔声量峰值大小 隔声量高于 频率范围 单侧 双侧共 双侧共.由图及表可以看出：随着薄膜厚度的增加，薄膜型声子晶体的隔声性能显著增强，单侧配重情况下，薄膜型声子晶体隔声量呈现随频率升高而降低的趋势，当薄膜厚度增加为.时，隔声量在低频增加更为显著，在 处达到最大峰值 ，超出薄膜厚 时 以上，在 频段内隔声量增幅较小；双侧配重情况下，当薄膜厚度增加时，隔声量峰值频点向高频偏移且峰值增大，隔声量在 以内低频范围内变化较小，在 频段内增幅较大，各频点增量约为 。结合隔声量峰值及隔声频段可见，当薄膜厚度为，双侧配重（，）时，薄膜型声子晶体结构的隔声性能较优，在 频点处最大隔声量约为 。框架厚度对薄膜型声子晶体隔声性能的影响为分析框架厚度对薄膜型声子晶体结构隔声性能的影响，以编号为、的模型样件为试 验 研 究 对 象，其 框 架 高 度 依 次 为、，测试结果如图及表所示。图不同框架厚度薄膜型声子晶体隔声曲线 表不同框架厚度薄膜型声子晶体隔声量峰值情况 框架厚度隔声量峰值频点 隔声量峰值大小 隔声量高于 频率范围 由图及表可以看出：不同框架厚度情况下，薄膜型声子晶体结构的隔声曲线均呈现随频率升高隔声性能先增强后减弱的趋势，且表现出低频隔声量小、中低频隔声量较大的特点，隔声峰值主要出现在 以内；随薄膜型声子晶体框第期杨坤 等：膜型声子晶体原胞结构隔声性能试验研究架厚度的增加，隔声曲线有往低频移动的趋势，当框架厚度由 加厚至 时，隔声量在 频段内有显著提升，增量约为 ，在低频范围内增幅较小；当框架厚度继续增加至 时，隔声频段由 拓宽至 ，隔声量在 以内的低频段增幅较大，增量约为 ，在中低频内增幅较小。结合隔声峰值与隔声频段可知，当框架厚度为 时，薄膜型声子晶体隔声性能较优，在 频率处最大隔声量约 。结论本文针对船舶舱室噪声低频控制难题，以一种薄膜型声子晶体为研究对象，基于阻抗管法，开展了薄膜型声子晶体隔声性能试验研究，分析了典型参数对声子晶体材料原胞结构隔声性能的影响规律，主要结论如下。）增加配重可有效拓宽隔声频段，双侧配重的薄膜型声子晶体隔声性能显著优于无配重及单侧配重情 况，隔 声 频 段 由 拓 宽 至 ，频段内隔声量约提高 。）薄膜配置数量或厚度增加均能拓宽隔声频段、提高隔声性。双侧配重薄膜型声子晶体薄膜厚度增加，峰值频点向高频移动、峰值增加，主要频点隔声量增量约 。）不同框架厚度声子晶体材料隔声量均呈现随频率升高先增强后减弱的趋势，增加框架厚度，隔声曲线向低频移动；框架厚度增加，隔声频段向低频拓展，由 拓宽至 ，隔声量增幅约 。）配重质量对隔声频段和隔声量的影响最为明显，框架厚度和薄膜厚度尺寸的增加可有效拓宽隔声频段，特别是增加框架厚度能向低频拓宽隔声频段，在实际设计中可选择牺牲结构重量实现宽频隔声。本文典型参数组合设计的试验样件中，综合隔声峰值、隔声频段和结构质量等因素，薄膜型声子晶体原胞结构最优配置为双侧配重（，）、薄膜厚、框架厚。参考文献（）：温激鸿，王刚，刘耀宗，等 周期弹簧振子结构振动带隙及隔振特性研究 机械工程学报，（）：，（）：（）温激鸿，王刚，郁殿龙，等 声子晶体振动带隙及减振特性研究 中国科学（辑：技术科学），（）：，（）：（）吴健，白晓春，肖勇，等一种多频局域共振型声子晶体板的低频带隙特性与减振特性 物理学报，（）：，（）：（），：，：秦晓春，倪安辰，陈正昊，等包含共振机理的声子晶体声屏障设计与降噪性能测试 中国环境科学，（）：，（）：（），（）：，（）：海军工程大学学报第 卷 ，（）：牛嘉敏，吴九汇 非对称类声学超材料的低频宽带吸声特性 振动与冲击，（）：，（）：（）曲波，朱蓓丽驻波管中隔声量的四传感器测量法 噪声与振动控