普信®声学院丨NAIMMTA项目丨薄板状声学超材料的隔声设计

New Acoustic Insulation MetaMaterial Technology for Aerospace航空航天声学超构材料隔声新技术项目，简称NAIMMTA项目，是由全球研究项目支持计划下的经济、科学和创新部（MESI）提供的研究经费，支持国际研究和创新活动（PSR-SIIRI）中关于声学超材料在航空航天领域中的应用研究的研究课题。项目成员包括空中客车（AIRBUS）、哈金森航空工业（Hutchinson）、德国应用航空研究中心（ZAL）、加拿大国家研究委员会（NRC）、3M、Mecanum、希尔布鲁克大学声学研究所（GAUS）、魁北克大学高等技术学院（ÉTS）和汉堡应用科技大学（HAM HAMBUNG）。

该项目的目标是基于声学隔音超材料（AIMM：Acoustic Insulation MetaMaterials）概念开发和验证用于航空航天应用的新型隔音技术。这项技术已被融入到当前高性能热-声绝缘材料设计中，并且可以调节与音调和宽带噪声相关的衰减。该项目已于2020年12月正式完成，取得了众多世界级科研与工程成果，将为验证与加速声学超构材料的工业应用提供理论与技术基础和产业转化动能。

项目详情请参考：

普信®声学院将逐期介绍NAIMMTA项目的相关公开论文、成果及信息。本期将介绍NAIMMTA项目成员汉堡应用科技大学（HAM HAMBUNG）汽车与航空工程学院的Felix Langfeldt和Wolfgang Gleine发表在23rd International Congress on Acoustics上的论文Designof acoustic partitions with thin plate-like acoustic metamaterials，原文请点击阅读原文参考。

导读

声学超构材料已经成为具有如负有效密度和/或体积模量等出色性能的噪声控制新手段。在声学超构材料的多种不同实现方式中，薄板状超材料（例如膜式声学超材料或非均质板）在改善常规隔板的传声损耗方面具有很大的潜力，尤其是在具有挑战性的低频领域。这些类型的超材料先前已显示出实现很高的声音传输损耗值，该值可能会大大超过相应的质量定律值。但是，进一步的研究表明，如果将这些超常材料集成到双壁隔板中，那么如果选择了不适当的设计，则可能大大降低超常材料的有益效果。汉堡应用科技大学团队将超材料与单墙和双墙组合的分析计算用于确定最相关的设计参数和声学性能的可能限制。从这些结果中得出声学隔板的一般设计准则，并将其应用于实验室测试样品。

创新研究

声学超材料的出现为控制声音的传播开辟了新的可能，声学超材料代表由周期性排列的单元组成的复合材料，用于系统地操纵声波的有效参数。在多种声学超材料中板状声学超材料（PAM）在低频噪声控制的应用中特别受关注。PAM是薄的二维超材料，在低频下具有负密度的低频频段，并且与质量定律相比，声音传输损耗（STL）显著提高。这些特性使PAM在减少噪声的装置的质量和安装空间受到严格限制的噪声控制工程（例如汽车或航空工程）中有望成为备选应用。当仅通过超材料考虑声音的传输时，所有这些不同的PAM设计都显示出较大的低频STL值。

图文速览

图1  使用2DOF模型对两种不同PAM设计的法向入射声传输损耗TL进行数值和分析结果。（a）具有增加质量的薄膜；（b）带有微谐振器的平板。

表1不同研究的PAM结构的2DOF模型参数

图2  由板，玻璃棉和PAM组成的多层隔板的实验和分析结果。（a）在传输窗框内装有玻璃棉的中密度纤维板（MDF）；（b）具有环形质量的超材料膜；（c）分层结构的示意图；（d）测量的（符号）和分析的计算的（线）使用扩散场声传输损耗TL_diff

图3  具有PAM层的单墙隔音性能。（a）结构示意图；（b）对于不同的PAM墙间距和相对PAM谐振频率f_R/f_P ，+5 dB带宽（表2中给出的基线参数）

表2使用PAM的单墙和双墙结构的基准参数

 图4 对于具有不同PAM墙间距的PAM墙（参见图3），其法向入射声传输损耗TL。阴影区域表示仅比墙壁高TL+5 dB的频带。

(a)   d_w1=2.5mm; (b) d_w1=15mm; (c) d_w1=75mm 

图5 带有PAM层的双墙的隔音性能。（a）结构示意图；（b）对于不同的PAM位置d_w1/H和相对PAM谐振频率f_R/f_P，+5 dB带宽。

总结

在该论文中，使用简化的解析模型评估了板状声学超材料（PAM）的隔声层的隔音性能，该模型通过一组五个通用参数（见表1）来表示PAM。采用传递矩阵法估计了包含PAM层的多层隔墙的声音传输损失。通过对不同PAM单元设计的数值模拟和实验室测量的50cm×50 cm平板模型的模拟结果验证了该模型的有效性。

此外，可以使用PAM的五个参数模型来简化此类分区的早期设计：无需在第一步中进行特定的PAM设计，而是可以使用五个常规PAM参数设计分区，而无需了解超材料的确切细节。一旦确定了PAM的理想参数，就可以从该项工作中获得的不同实现中选择满足这些（和其他）要求的合适的超材料设计。这种用于设计具有超常材料的声音隔板的新颖方法可以支持将超常材料应用于实际的噪声控制问题。