薄膜型聲學(xué)超材料的管道消聲特性研究

劉繼賓，呂海峰，王普浩，姬艷露

(中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

噪聲嚴(yán)重影響人們的正常生活，干擾儀器和設(shè)備的正常運(yùn)行，并且嚴(yán)重降低武器裝備的作戰(zhàn)性能和隱身性能。由于軍事裝備向著更加高速、隱身性能要求更加嚴(yán)格的方向發(fā)展，輕量級(jí)結(jié)構(gòu)和緊湊空間噪聲防護(hù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。

近年來(lái)，聲學(xué)超材料尤其是薄膜型聲學(xué)超材料成為聲學(xué)研究的熱點(diǎn)。2008年，YANG等[2]制作了薄膜型聲學(xué)超材料，在圓形彈性薄膜上固定質(zhì)量塊，并將薄膜固定在骨架上，在低頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效隔聲，并且厚度低于毫米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)低頻。2010年，南加州大學(xué)NAIFY等[3]在薄膜上粘結(jié)一個(gè)圓環(huán)，提高了超材料的傳遞損失量，增加了帶隙寬度。2012年，香港科技大學(xué)梅軍等[4]在彈性薄膜上粘結(jié)兩塊半圓形金屬片，制作了暗聲學(xué)超材料，這樣的結(jié)構(gòu)具有多重共振，可以實(shí)現(xiàn)低頻寬帶的幾乎百分百吸收。蘭州大學(xué)TIAN H等[5]對(duì)帶環(huán)形結(jié)構(gòu)的薄膜聲學(xué)超材料進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型和分析方法的研究，通過改變環(huán)形質(zhì)量塊的位置和數(shù)量來(lái)改變聲學(xué)超材料的性質(zhì)。西安交通大學(xué)MA F Y等[6]對(duì)比了多種形狀的質(zhì)量塊對(duì)于帶隙結(jié)構(gòu)的影響，在頻率為100 Hz以內(nèi)獲得了超低頻彎曲波帶隙，并提出了共振模態(tài)的群體理論。

總體來(lái)說(shuō)，聲學(xué)超材料在在低頻隔聲、低頻吸聲、低頻減振領(lǐng)域的超越性能，為低頻減振降噪技術(shù)開辟了一條新的途徑。但聲學(xué)超材料主要是通過隔聲來(lái)進(jìn)行噪聲控制，在實(shí)際管道消聲時(shí)需要有氣流通過，并且傳統(tǒng)的消聲器安裝體積較大，不適合緊湊型設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)了一種薄膜型聲學(xué)超材料的管道消聲裝置，研究了影響聲學(xué)超材料性能的控制因素。通過理論計(jì)算了薄膜的特征頻率，通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究裝置的傳遞損失來(lái)反映聲學(xué)超材料在低頻范圍內(nèi)的聲學(xué)性能，并進(jìn)一步研究改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響。

1 理論分析

薄膜型聲學(xué)超材料是由四周固定的彈性薄膜中心附著質(zhì)量塊組成的，為研究薄膜型聲學(xué)超材料的消聲機(jī)理，將聲學(xué)超材料安裝在管道壁面，如圖1所示。

圖1 研究聲學(xué)超材料消聲性能的裝置Fig.1 The device for studying the noise elimination performace of acoustic metamaterial

1.1 薄膜振動(dòng)方程

當(dāng)薄膜受到外力時(shí)，就會(huì)發(fā)生變形，然后在張力T作用下產(chǎn)生振動(dòng)[7]。

圖2 不同坐標(biāo)系統(tǒng)中薄膜面元的示意圖Fig.2 The schematic diagrams of membrane surface element in (a)rectangular coordinates; (b)polar coordinates

假設(shè)一彈性薄膜半徑為a，面密度為σ，受到的張力為T，在管道入射聲波的作用下，彈性薄膜表面產(chǎn)生的聲壓為

其中，pa為聲壓振幅，ω為聲波的圓頻率，那么在dxdy的薄膜面元上受到的外力為

因此，作用在整個(gè)面元上的總力為

式中，η為薄膜上一點(diǎn)在垂直方向上的位移。

根據(jù)牛頓第二定律得到面元的運(yùn)動(dòng)方程：

將求解坐標(biāo)由直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)，r為離圓心的徑向距離，θ為r與極軸的夾角。則x=rcosθ，y=rsinθ，由于薄膜為圓形對(duì)稱振動(dòng)，則振動(dòng)與θ無(wú)關(guān)。整理可得薄膜的強(qiáng)迫振動(dòng)方程為

其中：

令解為

代入方程(5)可得對(duì)于徑向變量r的方程為

式中，k為聲波波數(shù)。

式(7)為二階非齊次常微分方程。該方程的解一般包括一個(gè)特解Q1和一個(gè)通解Q2。觀察式(7)，當(dāng)取Q1為常數(shù)，可得特解為

因此，方程的一般解可表示為

式中，A為常數(shù)，J0為零階柱貝塞爾函數(shù)。

將式(9)代入式(6)，可得薄膜在聲壓作用下的位移表達(dá)式為

利用邊界條件，在r=a處有η(r=a)=0，代入式(10)便可定得

由此得

薄膜在聲壓的作用下，平均位移振幅為

其中，J2(ka)為二階柱貝塞爾函數(shù)。

可得薄膜特征頻率為

式中，μmn(μ10=2.4048,μ11=3.8317,μ12=5.1356,μ20=5.5201???)為柱貝塞爾函數(shù)的一系列根值。

1.2 薄膜振動(dòng)的等效集中參數(shù)

當(dāng)薄膜振動(dòng)時(shí)，在同一時(shí)刻，不同徑向位置的位移是不均勻的，因此可以采用等效集中參數(shù)的方法，將薄膜的振動(dòng)等效為圓心一點(diǎn)的振動(dòng)。

假設(shè)把薄膜的振動(dòng)等效為圓心處有一個(gè)等效的集中質(zhì)量Me在等效集中彈簧Ke作用下振動(dòng)，那么對(duì)于集中參數(shù)系統(tǒng)，振動(dòng)的特征頻率可以表示為

當(dāng)在圓心處附加一個(gè)質(zhì)量塊Mm時(shí)，等效總質(zhì)量變?yōu)镸e+Mm，則得到系統(tǒng)的特征頻率

當(dāng)在薄膜中心附加質(zhì)量時(shí)，整個(gè)薄膜系統(tǒng)的特征頻率減小。

2 超材料聲學(xué)性能影響因素分析

2.1 有限元模型建立

采用COMSOL軟件聲固耦合模塊對(duì)圓形彈性薄膜進(jìn)行消聲特性分析研究。圖3為將消聲裝置模型導(dǎo)入COMSOL后的網(wǎng)格劃分示意圖。模型為截面積50 mm×50 mm，長(zhǎng)度200 mm的長(zhǎng)方形管道,管道側(cè)壁上裝有圓形彈性薄膜，薄膜半徑為25 mm，厚度為0.2 mm，預(yù)應(yīng)力為4 N·m-1，邊緣固定約束，薄膜的密度為1 300 kg·m-3，楊氏模量和泊松比分別為7×105Pa和0.49。與管道內(nèi)空氣和外界大氣形成聲固耦合邊界。定義管道的一端為入口，另一端為出口，進(jìn)行頻域分析，求得傳遞損失。

圖3 COMSOL有限元仿真模型Fig.3 The COMSOL finite element simulation model

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 超材料的聲學(xué)性能

圖4 消聲裝置的傳遞損失曲線Fig.4 Transmission loss curve of silencer device

圖5 傳遞損失5個(gè)峰值頻率處的薄膜位移云圖Fig.5 Membrane displacement nephograms at five peak frequencies of transmission loss

圖4所示為該裝置的傳遞損失曲線圖。可以看出在0～700 Hz范圍內(nèi)，該裝置在頻率為60、135、215、300、380 Hz處出現(xiàn)了5個(gè)傳遞損失峰值。圖5為各個(gè)峰值頻率處對(duì)應(yīng)的薄膜位移云圖，各階振型均為中心對(duì)稱振動(dòng)，最大振幅位于薄膜圓心處。由式(14)可得，圓形彈性薄膜的前五階共振頻率為60.05、137.84、216.09、294.40、372.81 Hz，由此可知，薄膜的共振頻率即為其消聲工作頻率，當(dāng)入射聲波頻率與薄膜的共振頻率相同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振，聲能轉(zhuǎn)換為薄膜的動(dòng)能，傳遞損失達(dá)到最大，此時(shí)消聲效果最好。薄膜的傳遞損失與其振幅有關(guān)，薄膜的振幅越大，傳遞損失值越高。薄膜在第一階共振頻率處振幅最大，傳遞損失峰值達(dá)到了最大，為54.53 dB。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力對(duì)超材料聲學(xué)性能的影響

薄膜的共振頻率與預(yù)應(yīng)力以及面密度有關(guān)，面密度又與薄膜的厚度有關(guān)。當(dāng)薄膜厚度為0.2 mm時(shí)，改變加載在薄膜上的預(yù)應(yīng)力，觀察其對(duì)傳遞損失的影響，如圖6所示。圖6中預(yù)應(yīng)力分別取4、20、37 N·m-1。

圖6 薄膜預(yù)應(yīng)力對(duì)傳遞損失的影響Fig.6 The influence of membrane prestress on transmission loss

從圖6可以看出，當(dāng)隨著預(yù)應(yīng)力的增加，該裝置的傳遞損失峰值頻率整體向高頻偏移。由式(14)可知，薄膜的特征頻率，當(dāng)預(yù)應(yīng)力增加時(shí)，系統(tǒng)剛度增加，從而使得系統(tǒng)的共振頻率增加，傳遞損失峰值頻率隨之往高頻偏移。在預(yù)應(yīng)力為4 N·m-1時(shí)，薄膜的第一階頻率處振幅最大，傳遞損失最高。

2.2.3 面密度對(duì)超材料聲學(xué)性能的影響

保持預(yù)應(yīng)力為37 N·m-1不變，改變薄膜的厚度，從而改變薄膜的面密度，圖7為薄膜厚度分別取0.2、0.4、0.6 mm時(shí)的傳遞損失曲線。

由圖7可知，當(dāng)薄膜厚度增加時(shí)，面密度增大，薄膜的特征頻率降低，系統(tǒng)的傳遞損失峰值頻率整體向低頻偏移。

2.2.4 附著質(zhì)量塊對(duì)超材料聲學(xué)性能的影響

在厚度為0.2 mm，預(yù)應(yīng)力為37 N·m-1的薄膜圓心處增加半徑為2 mm的質(zhì)量塊，得到不同質(zhì)量的質(zhì)量塊下的傳遞損失曲線，如圖8所示。

圖7 薄膜厚度對(duì)傳遞損失的影響Fig.7 The influence of membrane thickness on transmission loss

圖8 附加不同質(zhì)量塊的傳遞損失曲線Fig.8 The transmission loss curves for different attached mass blocks

從圖8中可以看出，隨著質(zhì)量塊質(zhì)量的增加，第一階頻率降低，對(duì)應(yīng)的傳遞損失也隨之減小，由式(16)可知，等效質(zhì)量的增加導(dǎo)致系統(tǒng)的共振頻率減小，所以第一階頻率向低頻偏移；第二階和第三階頻率基本無(wú)變化。薄膜在質(zhì)量塊為400 mg時(shí)，第二階頻率處的振幅最大，傳遞損失達(dá)到了54 dB。從圖9薄膜剖面在各階峰值頻率處的位移云圖可以看出，在第一階頻率處，主要是薄膜中心的質(zhì)量塊振動(dòng)，因此，質(zhì)量塊質(zhì)量的改變對(duì)一階峰值頻率有較大的影響；在第二、三階頻率處，主要是質(zhì)量塊周圍的薄膜振動(dòng)，而質(zhì)量塊靜止，因此質(zhì)量的改變對(duì)于系統(tǒng)的消聲峰值頻率基本無(wú)影響。

圖9 傳遞損失峰值頻率處薄膜剖面位移云圖Fig.9 Membrane displacement nephograms at the peak frequencies of transmission loss

3 超材料聲學(xué)性能測(cè)試

3.1 傳遞損失測(cè)量原理

本實(shí)驗(yàn)采用聲學(xué)超材料系統(tǒng)的傳遞損失來(lái)驗(yàn)證消聲效果。傳遞損失測(cè)量選用雙負(fù)載法，其測(cè)量原理如圖10所示：聲源揚(yáng)聲器發(fā)出的平面波A向下游傳播，遇到消聲器時(shí)有一部分B被反射回來(lái)，另一部分透過消聲器，這樣消聲器下游有前進(jìn)波C和反射波D。利用阻抗管中的四支傳聲器測(cè)量得到的聲壓進(jìn)行運(yùn)算得到消聲裝置的傳遞損失值。

圖10 傳遞損失測(cè)試原理圖Fig.10 Schematic diagram of testing transmission loss

3.2 超材料制作與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

利用勻膠機(jī)(圖11(a))制作實(shí)驗(yàn)所需薄膜，按照100 : 3的比例將硅膠與固化劑混合，利用勻膠機(jī)的離心力制備厚度分別為0.2、0.4、0.6 mm的薄膜，薄膜樣品如圖11(b)所示。

圖11 薄膜制作Fig.11 Membrane preparation (a)spin coater;(b)membrane sample

將制作的薄膜通過兩塊外徑為80 mm、內(nèi)徑為50 mm的剛性板，夾持安裝在截面積50 mm×50 mm、長(zhǎng)度為200 mm、側(cè)壁開有直徑為50 mm孔的長(zhǎng)方形管道上，組成消聲裝置，并將消聲裝置放入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，研究其消聲性能。

測(cè)試裝置如圖12所示，傳遞損失測(cè)量系統(tǒng)主要由功率放大器、揚(yáng)聲器、傳聲管道、AWA14425型ICP(IEPE)傳感器、NI USB-DAQ9234四通道IEPE數(shù)據(jù)采集卡、Lab-VIEW采集系統(tǒng)等組成。將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理得到消聲系統(tǒng)的傳遞損失曲線。測(cè)試中聲音信號(hào)采用正弦信號(hào)，頻率范圍為30～700 Hz，步長(zhǎng)為10 Hz。

圖12 消聲性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Experimental platform for testing noise elimination performance

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 薄膜預(yù)應(yīng)力對(duì)傳遞損失的影響

圖13為薄膜厚度為0.2 mm，預(yù)應(yīng)力分別為4、20、37 N·m-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的消聲裝置的傳遞損失曲線(實(shí)線)和仿真的傳遞損失曲線(虛線)。

圖13 薄膜預(yù)應(yīng)力對(duì)傳遞損失的影響Fig.13 The effect of membrane prestress on transmission loss

從圖13中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致。隨著預(yù)應(yīng)力的增加，系統(tǒng)剛度增加，消聲裝置的傳遞損失峰值頻率向高頻偏移，當(dāng)預(yù)應(yīng)力由4 N·m-1增加為37 N·m-1時(shí)，第一階頻率偏移了120 Hz。

3.3.2 薄膜厚度對(duì)傳遞損失的影響

圖14為保持預(yù)應(yīng)力為37 N·m-1，分別取薄膜厚度為0.2、0.4、0.6 mm時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

薄膜厚度的增加導(dǎo)致面密度的增加，超材料的共振頻率隨之降低，往低頻偏移了110 Hz。

3.3.3 附著質(zhì)量對(duì)傳遞損失的影響

圖14 薄膜厚度對(duì)傳遞損失的影響Fig.14 The effect of membrane thickness on transmission loss

圖15是不同質(zhì)量塊對(duì)傳遞損失的影響結(jié)果圖。通過硅橡膠將質(zhì)量塊固定在薄膜中心，薄膜保持預(yù)應(yīng)力為37 N·m-1，厚度為0.2 mm，研究質(zhì)量塊分別為100、200、400、600 mg時(shí)對(duì)裝置消聲性能的影響。

由圖15可知，增加質(zhì)量塊，且隨著質(zhì)量塊質(zhì)量的增加,第一階頻率向低頻偏移，共偏移了50 Hz，并且實(shí)現(xiàn)了100 Hz及以下超低頻消聲，第二和第三階頻率基本無(wú)影響。

圖15 不同質(zhì)量塊對(duì)傳遞損失的影響Fig.15 The effect of attached mass blocks on transmission loss

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真存在誤差的主要原因是由于薄膜樣品制作時(shí)的工藝誤差以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

4 結(jié) 論

本文首先從理論分析了薄膜的振動(dòng)特性，接著通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了薄膜型聲學(xué)超材料的聲學(xué)性能，得出結(jié)論如下：

(1)薄膜在低頻范圍內(nèi)具有良好的消聲性能，其消聲工作頻率為薄膜的共振頻率，且薄膜振幅對(duì)于傳遞損失有重要影響，薄膜的振幅越大，傳遞損失值越高。

(2)通過增加施加在薄膜上的預(yù)應(yīng)力可以使消聲峰值頻率往高頻偏移，當(dāng)薄膜預(yù)應(yīng)力由4 N·m-1增加為37 N·m-1時(shí)，頻率偏移了120 Hz。

(3)增加薄膜厚度可以使頻率往低頻偏移， 當(dāng)薄膜厚度由0.2 mm變?yōu)?.6 mm時(shí)，頻率共偏移了110 Hz。

(4)在薄膜上添加質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)了100 Hz及以下超低頻范圍內(nèi)的消聲，并且隨著質(zhì)量塊質(zhì)量的增加，第一階峰值頻率往低頻偏移，但第二三階頻率無(wú)影響。

本文的研究將為主動(dòng)聲學(xué)超材料以及緊湊型管道消聲器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。