螺旋盘绕型声学超材料的设计和性能分析

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1、学校代号10532学号S150200259分类号TB535密级公开硕士学位论文螺旋盘绕型声学超材料的设计和性能分析学位申请人姓名刘陈明培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称于德介教授学科专业机械工程研究方向汽车NVH分析与控制论文提交日期2018年4月20日学校代号：10532学号：S150200259密级：公开湖南大学硕士学位论文螺旋盘绕型声学超材料的设计和性能分析学位申请人姓名：刘陈明导师姓名及职称：于德介教授培养单位：机械与运载工程学院专业名称：机械工程论文提交日期：2018年4月20日论文答辩日期：2018年5月11日答辩委员会主席：程军圣Thedesignandperfo

2、rmanceanalysisofthespiral-labyrinthineacousticmetamaterialbycoilingupspacebyLIUChenmingB.E.(HunanUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinMechanicalEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorYUDejieApril，2018螺

3、旋盘绕型声学超材料的设计和性能分析摘要低频噪声广泛存在于日常生活和军事领域，对人体健康、生产生活和军事活动产生各种负面影响。受质量定律的限制，传统隔声材料对低频噪声无法达到令人满意的隔声效果。声学超材料因其亚波长和负等效参数特性，为低频降噪提供了新的解决途径。盘绕型声学超材料是一类通过折叠空间以获得较高折射率的声学超材料，其特殊的结构特点决定了材料具有低耗散、较强的吸声性能和很好的各向同性响应等优点。然而，现有的盘绕型声学超材料大多沿用了“之”字型的设计方法，且关于盘绕型声学超材料声学性能的研究，大部分还集中某单一声学性能。为了丰富盘绕型声学超材料的设计方法，构造具有多种优异声学性能

4、的盘绕型声学超材料，本文提出了一种螺旋对称的盘绕型声学超材料单胞结构，基于声学基础和有限元理论建立了声学超材料的声场有限元模型，并在此基础上开展了螺旋盘绕型声学超材料的隔声性能和等效零质量性能分析研究。论文的主要研究工作如下：（1）声学超材料的声场有限元建模以声学理论和有限元为基础，在多物理场软件COMSOLMultiphysic中建立了声学超材料的声场有限元模型；比较了几种计算声学超材料带隙的常用方法，并选择有限元法作为分析螺旋盘绕型声学超材料的基本方法。（2）螺旋盘绕型声学超材料的设计介绍了盘绕型声学超材料的设计原理，并详细阐述了螺旋盘绕型声学超材料的设计方法，总结了螺旋盘绕型声

5、学超材料的优点；给出了透射反射系数反演法求解声学超材料等效介质参数的理论推导，计算了螺旋盘绕型声学超材料单胞的等效参数；证明了单胞单级共振引起负的体积模量，双级共振导致了负的质量密度。（3）螺旋盘绕型声学超材料的隔声性能分析以波导管中声压传递函数表征螺旋盘绕型声学超材料单胞的隔声性能，基于等效介质理论和模态理论解释了单胞具有超强隔声性能的原因；通过单胞参数化分析，总结了单胞共振隔声频率的变化规律；在单胞在波导管中位置和角度发生小幅变化的情况下，分析了螺旋盘绕型声学超材料的隔声鲁棒性。（4）螺旋盘绕型声学超材料的等效零质量性能分析等效零质量性能是声学超材料在等效零质量密度频率下保持声波

6、幅值和相位不变的特殊传输性能。基于带隙和等效介质参数计算，确定了螺旋盘绕型声学超II硕士学位论文材料的等效零质量密度频率。在此基础上，通过适当的布置，实现了螺旋盘绕型声学超材料的等效零质量性能，包括声隐身、声通道、声学逻辑电路等。本文以声学理论和有限元为基础，建立了螺旋盘绕型声学超材料的声场有限元模型，总结了螺旋盘绕型声学超材料结构的优点。结合等效介质理论和带隙理论，分析了螺旋盘绕型声学超材料的隔声性能和等效零质量性能。仿真结果表明，螺旋盘绕型声学超材料在低频降噪和高性能声学器件中具有良好的应用前景。关键词：盘绕型声学超材料；负等效体积模量；负等效质量密度；隔声；声隐身；声通道；声学

7、逻辑电路III螺旋盘绕型声学超材料的设计和性能分析AbstractWiththedevelopmentofthetheoreticresearchandapplicationofnewartificialelectromagneticmaterials,moreandmoreattentionhasbeenattractedontheapplicationofacousticmetamaterials.Themosttypicalfeatureofacou