比翱工程实验室丨从力学到声学：坚固型隔音超材料的关键性能评估

导读

夹层结构和复合材料双层板结构越来越受欢迎，这是因为它们在较宽的频率范围内具有较好的隔声性能。然而，在设计这类多层板时，必须特别注意声传输损耗（STL)的共振主导区域，即质量 - 弹簧 - 质量（Mass-Spring-Mass）共振导致声学性能较差的频率区域。此项研究将具有超宽带隙的超材料单元与面板集成在一起，以创建一种新颖的隔音夹层板。该面板由单一材料制成，其机械刚度设计合理，不影响声波在宽频率范围内的衰减效果，同时使内核自我维持。通过平面波管模型对面板的STL进行了数值计算。根据共振频率对固体 - 空气相互作用进行了严格评估，并用所提出的集总参数模型准确描述。该模型是预测和优化STL共振主导区域面板行为的简单工具。该面板的声学性能通过在尼龙原型上的实验活动进行验证，该原型通过选择性激光烧结技术进行3D打印。

创新研究

为了提高目标频率范围内传统隔板的隔声性能，提出了不同类型的声学超材料解决方案，其中包括局部共振和膜式声学超材料。另一种方法是设计具有工程几何形状的结构面板，该面板可以将更宽频率范围内的声学过滤特性与独立或承载能力结合起来。此项研究为探讨隔音系统概念提供了一个新的视角。分析从声子晶体单元开始，由于利用模态分离原理，声子晶体单元在较宽的频率范围内具有优异的机械波滤波特性。晶胞的平面内重复被认为是构建一个由金字塔椎体和箱型框架组成的分布式系统的超构分区。对此类面板的声学性能进行了关键评估，重点关注STL的共振主导区域以及空气 - 机械刚度之间的相互作用。开发了数值和分析模型，以突出影响降噪性能的所有参数，并且可以修改这些参数以用于未来的声学分区优化。

图文快览

图1：（a）锥体构件，（b）弹性韧带，（c）锥体质量与内部框架连接的详图，以及（d）整体尺寸为0.05x0.05x0.05m的单元的完整视图。

图2：（a）图1的晶胞的色散图以及所研究的不可还原布里渊区的示意图。红色虚线分别表示第一个带隙的启动和截至频率（b）与最大位移归一化的振型，对应于启动频率和（c）截至频率。

 图3：（a）隔音板的完整视图，包括晶胞单元平面内重复和封闭板的集成。（b）平面波管模型。（c）用3毫米厚的面板封闭的晶胞视图。（d）完整的声学-固体模型和（e）去除单元格内包含的空气。 

 图4：(a)吸音板的数值法向入射声音传输损失。黑色实线显示了完整模型的STL曲线。红线表示去除内部框架的STL曲线，绿线表示去除面板内部空气的STL曲线。还报告了相对于最大位移归一化的变形形状，对应于 (b) F = 154 Hz 和 (c) F = 264 Hz。

 图5：(a) 1、2、3和5 个单元在面外方向的STL曲线和(b)、(c)、(d)、(e)分别对应于最大位移归一化的变形形状，启动频率为264 Hz、209 Hz、188 Hz 和174 Hz。

图6：(a)为捕捉固-气相互作用而提出的集总参数模型。(b)和(c)显示了在n=3的一般情况下模型中涉及的质量。

表1：对于1、2、3和5个单元，在面外方向上，通过数值模型获得的共振与集中参数模型给出的共振之间的比较。

图7：(a) 尺寸为250 x 250 x 56 mm的子面板的侧视图，使用尼龙PA12的选择性激光烧结技术制造。(b) 安装在测量窗口上的面板。(c) 混响室的图片。

 图8：图7面板对应的STL：扩散入射数值预测（蓝色实线）和实验测量（黑色虚线）之间的比较。

结论与展望

对一种具有自维持超材料内芯的新型隔音夹芯板进行了数值和实验分析。晶胞的设计利用模态分离方法，产生完整的3D超宽带隙。由于单元的行为类似于低通机械滤波器，因此通过机械耦合的结构传播被最小化，并且核心的机械模态不会干扰质量主导区域中面板的STL性能。所提出的几何形状允许通过作用于弹性框架的刚度和面板中存在的空气体积来控制固体空气系统的共振位置。面外周期性的引入允许降低质量 - 弹簧 - 质量共振频率，从而使面板在低频下有效。

所提出的集成参数模型可以准确地再现特征频率方面的固体-空气耦合，该模型是一种有效且简单的工具，可根据需要调整空气 - 固体结构的共振频率。该模型强调了优化几何结构所需的下一个步骤，即减少内部金字塔椎体的质量和降低机械刚度。在3D打印尼龙原型上进行的实验活动验证了在面外方向有一个单元的配置中预测的面板声学性能。所研究的超材料面板为开发一类用单一材料实现的周期性结构开辟了新途径，并且具有适当设计的机械刚度，不会影响宽频带声波衰减方面的效果。此外，可以调整和优化晶胞的几何形状，以获得不同材料的相同隔音性能。这为采用循环经济方法使用再生材料开辟了可能性。

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文章来源：Applied Acoustics 183 (2021) 108311

作者：C.Gazzola , S. Caverni, A. Corigliano

单位：Departmentof Civil and Environmental Engineering, Politecnico di Milano, Piazza Leonardoda Vinci, 32, 20133 Milano, Italy

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