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基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究

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贺子厚, 赵静波, 姚宏, 蒋娟娜, 陈鑫. 2019: 基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究, 物理学报, 68(13): 173-184. doi: 10.7498/aps.68.20190245
引用本文: 贺子厚, 赵静波, 姚宏, 蒋娟娜, 陈鑫. 2019: 基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究, 物理学报, 68(13): 173-184. doi: 10.7498/aps.68.20190245
shu
He Zi-Hou, Zhao Jing-Bo, Yao Hong, Jiang Juan-Na, Chen Xin. 2019: Sound insulation performance of thin-film acoustic metamaterials based on piezoelectric materials, Acta Physica Sinica, 68(13): 173-184. doi: 10.7498/aps.68.20190245
Citation: He Zi-Hou, Zhao Jing-Bo, Yao Hong, Jiang Juan-Na, Chen Xin. 2019: Sound insulation performance of thin-film acoustic metamaterials based on piezoelectric materials, Acta Physica Sinica, 68(13): 173-184. doi: 10.7498/aps.68.20190245
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基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究

  • 空军工程大学研究生院,西安,710051

  • 空军工程大学基础部,西安,710051

Sound insulation performance of thin-film acoustic metamaterials based on piezoelectric materials

  • 摘要: 针对低频噪声的隔离问题,设计了一种基于压电材料的可调控薄膜声学超材料,该材料由压电质量块嵌入弹性薄膜制成.建立了材料的有限元分析模型,并且计算了材料的各阶特征频率与20—1200 Hz频段的传输损失曲线,并通过实验验证了有限元计算的真实性.计算结果表明:此声学超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好,存在两个50 dB以上的隔声峰与一个可调式的隔声峰.通过分析简单结构的首阶共振模态并构建其等效模型,从理论上探究了结构参数对薄膜声学超材料隔声性能的影响,并通过有限元计算验证了其等效模型的正确性;综合分析材料的特征频率与传输损失曲线,进一步讨论了结构的隔声机理,分析结果表明,在特征频率处,薄膜的"拍动"会导致声波在其后的传播过程中干涉相消,实现声波的衰减;通过Fano共振理论,探究了各共振点处传输损失曲线特征不同的原因;压电质量块与外接电路组成LC振荡电路,在电路的共振频率处,压电材料的振动可以吸收声波的能量从而造成一个隔声峰,同时可以改变外接电路的参数来调整电路的共振频率,从而实现对隔声性能的调控.最后,探究了压电质量块偏心量对材料性能的影响,并通过有限元计算验证了材料隔声性能的可调性.研究结果为可调式薄膜声学超材料的设计提供了理论参考.
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出版历程

基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究

  • 空军工程大学研究生院,西安,710051
  • 空军工程大学基础部,西安,710051

摘要: 针对低频噪声的隔离问题,设计了一种基于压电材料的可调控薄膜声学超材料,该材料由压电质量块嵌入弹性薄膜制成.建立了材料的有限元分析模型,并且计算了材料的各阶特征频率与20—1200 Hz频段的传输损失曲线,并通过实验验证了有限元计算的真实性.计算结果表明:此声学超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好,存在两个50 dB以上的隔声峰与一个可调式的隔声峰.通过分析简单结构的首阶共振模态并构建其等效模型,从理论上探究了结构参数对薄膜声学超材料隔声性能的影响,并通过有限元计算验证了其等效模型的正确性;综合分析材料的特征频率与传输损失曲线,进一步讨论了结构的隔声机理,分析结果表明,在特征频率处,薄膜的"拍动"会导致声波在其后的传播过程中干涉相消,实现声波的衰减;通过Fano共振理论,探究了各共振点处传输损失曲线特征不同的原因;压电质量块与外接电路组成LC振荡电路,在电路的共振频率处,压电材料的振动可以吸收声波的能量从而造成一个隔声峰,同时可以改变外接电路的参数来调整电路的共振频率,从而实现对隔声性能的调控.最后,探究了压电质量块偏心量对材料性能的影响,并通过有限元计算验证了材料隔声性能的可调性.研究结果为可调式薄膜声学超材料的设计提供了理论参考.

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