微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声行为

张丰辉; 唐宇帆; 辛锋先; 卢天健

doi:10.7498/aps.67.20181368

摘要

民用及国防工业领域对工程材料结构提出了更高的应用需求.单一材料结构越来越难以满足实际应用需求，通过人工复合结构实现超常单一及多物理性能的超材料设计已经成为材料结构应用的重要发展方向.本文基于传统的蜂窝夹层结构，在其内部引入波纹结构，并在面板和波纹上分别进行微穿孔形成微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料，在其优异力学承载基础上，实现了低频段的宽频有效吸声降噪.应用微穿孔板吸声理论和声阻抗串并联理论，建立了微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料的吸声理论模型；发展了考虑黏热效应的声传播有限元模型，通过数值模拟验证了理论模型的准确性，并数值计算了声波在超材料微结构内的黏热能量耗散分布，发现超材料能量耗散主要集中于微穿孔处的黏性边界层；进一步开展了超材料吸声参数和尺度设计参数的分析讨论，阐明了不同尺度设计参数对超材料吸声性能的影响规律.本文工作对兼具力学承载与吸声降噪的新型材料结构设计有重要的理论指导价值.

关键词:

Abstract

A novel acoustic metamaterial is proposed by making micro-perforations on both the top facesheet and the corrugate plates of sandwich plate with honeycomb-corrugation hybrid core. The hybrid-cored metamaterial is ultra-lightweight, occupies a small volume, and exhibits excellent mechanical properties and good low-frequency sound absorption property. Based on the classical Maa theory of thin plates with micro-perforations, a theoretical model of sound absorption is established for the proposed metamaterial. The method of finite elements is subsequently used to validate the model, showing that their good agreement is achieved. Physical mechanism behind the energy dissipation in each sub-structure of the metamaterial is explored. It is found that the main route of energy dissipation is via viscous effect at the micro-perforation, and thermal dissipation is negligible. The influence of key geometrical parameters, such as upper facesheet thickness, perforation diameter and corrugated plate thickness, on sound absorption is systematically investigated. The present results are helpful for designing multifunctional lightweight materials/structures for simultaneous load-bearing, energy absorption and noise control.

Keywords:

作者及机构信息

1. 西安交通大学, 机械结构强度与振动国家重点实验室, 西安 710049;

2. 西安交通大学, 多功能材料与结构教育部重点实验室, 西安 710049;

3. 南京航空航天大学, 机械结构力学及控制国家重点实验室, 南京 210016

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：11761131003，U1737107，11772248）和陕西省留学人员科技活动择优资助项目（批准号：2017025）资助的课题.

Authors and contacts

1. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;

2. MOE Key Laboratory for Multifunctional Materials and Structures, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;

3. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11761131003, U1737107, 11772248) and the Shaanxi Foundation for Selected Overseas Chinese, China (Grant No. 2017025).

参考文献

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施引文献

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