普信®声学院本期介绍国防科技大学智能科学学院振动与噪声控制课题组的温激鸿、肖勇团队和中国空气动力学研究与发展中心的张浩近期发表在【Mechanical Systems and Signal Processing】上的论文【Sound transmission loss of plate-type metastructures: Semi-analytical modeling, elaborate analysis, and experimental validation】，原论文【MSSP 153 (2021) 107487】请点击阅读原文参考。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0888327020308736国防科技大学智能科学学院于2017年10月在原国防科学技术大学机电工程与自动化学院基础上重建而成。学院是全国首家，也是全军唯一一家以“智能科学”命名的院校，在军事智能领域技术积累深厚，始终以引领军事智能发展为目标，聚焦使命任务开展人才培养和科学研究工作。学院现有控制科学与工程、机械工程、仪器科学与技术等三个一级学科，按一级学科设有三个博士后流动站。振动与噪声控制课题组依托智能科学学院机械工程学科，具有国家级实验室平台支撑。课题组自2001年起，开始开展基于声子晶体、声学超材料等人工周期结构弹性波调控基础理论研究及减振降噪应用探索研究，成果在Nature Communications、Physical Review Letters、Applied Physics Letters、Journal of Sound and Vibration等国内外知名期刊发表SCI论文300余篇，出版专著4部，获得军队科技进步一等奖1项、湖南省自然科学一等奖2项。
板状超结构的最新研究展现了其在低频隔声领域的可观应用，因为其在低频段可产生远高于质量定律的传声损失（STL）。最近，国防科技大学团队以典型板状超结构为研究对象，围绕其低频隔声设计展开了系统研究。该工作指出，对于隔声超结构的设计，有三大问题值得深入研究：1）如何高效地预报超结构的STL；2）如何理解其超常的STL行为； 3）如何设计其参数以在目标频率下获得高STL，并在不增加质量的情况下实现宽频范围的高STL。该工作的目的是通过探究一种典型板状超结构来回答这些问题。
该工作研究的板状超结构是通过在薄基板上附加周期阵列的质量块构成。虽然这种超结构的构造简单，但是其也可以产生远高于质量定律的低频STL，因此从工程应用的角度看，其具有很好的应用潜能。早前，有学者对这种板状超结构的隔声特性开展了实验测试，并证实其具有优异的低频STL性能。然而，与最近几年引起人们广泛关注的其他构型的各类薄膜型和平板型超结构相比，这种构造简单而又不失启发性的超结构却未引起足够关注，直至目前仍然缺乏对其系统的理论研究。该工作研究的目的是，围绕前面提出的三个基本问题，对这种板状超结构的STL行为开展全面深入的研究。
该工作针对上述第一个问题，提出了一种利用超结构胞元缩减有限元模型来快速提取其动态质量密度的方法，进而建立了可高效预报超结构正入射、斜入射及扩散场STL的半解析法；针对第二个问题，通过分析动态质量密度以及Bloch波色散与Bloch模态，揭示了超常STL机理；针对第三个问题，开展了全面细致的参数影响分析，由此提出了在限定面质量条件下实现STL锋频率调控及实现STL频带拓宽的直接的参数设计准则。进一步，通过设计、制备对比样件，开展隔声实验，验证了所提出的设计准则。由于所研究的板状超结构构型简单（便于低成本制造），又不失丰富的物理内涵，该研究工作对于隔声超结构的设计既具有基础理论指导意义，又具有实际应用参考价值。
图1 （a）板状超结构示意图。（b）超结构的单个胞元。
图2 基于无限周期板状超结构胞元及周期边界条件建立的声振耦合FE模型。
图3 用于获取超结构的动态有效面质量密度的结构FE 模型：（a）具有周期性边界的一般的单个胞元模型;（b）具有对称边界（SBs）的单个胞元模型;（c）带SBs 的1/8 胞元模型。
图4 使用传统的声振耦合FE方法和所提出半解析方法预测的单一入射角STL：（a）正入射STL(θ=0。,φ=0。)（b）斜入射STL(θ=60。,φ=0。)。
图5 （a）传统声振耦合 FE 法和（b）所提出的半解析法预测的不同入射角对 STL的影响。
图6 基板的阻尼对STL的影响：（a）正入射STL，（b）斜入射STL。
图7 （a）不同方法预测的连续频率扩散场STL对比。(b)实验测量和数值预测的扩散场STL(1/3个倍频带)比较。
图8 （a）超结构的归一化动态面质量密度。连续曲线表示本研究中所提出的方法获得的结果，离散标记的数据是指传统方法获得的结果。（b）比较传统声振耦合FE和本工作所提出的半解析方法预测的正入射STL。
图9 (a)采用声振耦合有限元方法计算得到的单一入射角STL的两个典型案例。(b)声激励下基板的变形模式。(c) x方向的Bloch波色散关系和投影声波波数(由×a⁄π归一化)。（d）色散关系图上的几个选定点对应的Bloch波模式（基板）。
图10 固定面质量密度条件下同时调节双参数的正入射STL行为的演化。
图11 调节双参数时STL峰值频率（f0）和谷值频率（f1）以及相对带宽（Δf/f0）的演变。
图12 固定面质量密度条件下调节三参数时STL行为的演变。
图13 固定面质量密度条件下调节四参数时STL行为的演变。
图14 （a）具有相同面质量密度（Mst = 5.38 kg/m2）的改进设计和参考设计之间的正入射和斜入射STL的比较。（b）色散关系分析以解释斜入射STL曲线上局部谷的产生原因。
图15 具有相同面质量密度（Mst = 5.38 kg/m2）的的改进设计和参考设计之间的扩散STL比较。
图17 （a）测量扩散STL的实验环境示意图。（b）固定在混响室和半消声室之间的窗口上的样件照片。
图18 使用相同的面质量密度（Mst = 4.4 kg/m2）的两个样件的扩散STL预报值和测量值的比较：（a）样件A，（b）样件B。
该工作针对典型板状超结构的STL特性展开了系统研究。研究表明，与质量定律相比，这类板状超结构可在低频范围显著提升STL。该工作提出了一种适用范围广的半解析法，可以高效预报超结构的正入射、斜入射和扩散STL。并通过分析超结构的动态质量密度以及Bloch波色散与Bloch模态，深刻揭示了其低频STL行为机理。进一步，开展了全面细致的参数分析研究，由此提出了相应的参数设计准则，可直接指导超结构STL峰值频率调控设计，以及在不增加面质量的情况下拓宽其高STL频带范围。最后，对所提出的半解析预报方法和设计准则进行了实验验证。