【摘 要】
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声学超材料以其特有的弹性波带隙特性,对中低频噪声具有良好的控制效果,为汽车减振降噪提供了新的理论方法和途径。目前,各类声学超材料主要是通过逆向设计提出的,当声学超材料的结构尺寸和介质参数一旦确定,其带隙特性随即固定,难以实现对弹性波的精确控制。本文以亥姆霍兹共振腔（Helmholtz resonator,简称HR）型声学超材料为研究对象进行分析,提出了一种适用于HR型声学超材料的正向设计方法。本文
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声学超材料以其特有的弹性波带隙特性,对中低频噪声具有良好的控制效果,为汽车减振降噪提供了新的理论方法和途径。目前,各类声学超材料主要是通过逆向设计提出的,当声学超材料的结构尺寸和介质参数一旦确定,其带隙特性随即固定,难以实现对弹性波的精确控制。本文以亥姆霍兹共振腔（Helmholtz resonator,简称HR）型声学超材料为研究对象进行分析,提出了一种适用于HR型声学超材料的正向设计方法。本文主要研究工作包括以下几部分:首先,介绍了HR与声学超材料研究的相关理论基础,包括HR共振理论、晶格理论、Bloch定理和能带理论等,为之后对声学超材料的研究奠定了理论基础。其次,利用多物理场仿真软件COMSOL计算了一维与二维HR型声学超材料结构的声学特性,讨论了关键几何参数改变对超材料结构声学性能的影响,结合声学超材料内部声压云图探究了超材料局域共振带隙的产生机理。对声学超材料的点缺陷态与线缺陷态进行了研究,分析了不同缺陷态在超材料中的作用。再次,依据HR型声学超材料局域共振带隙产生机理,确定使用HR共振频率计算公式对带隙起始频率进行计算,讨论了公式适用的HR尺寸范围,推导了用于带隙截止频率的计算公式。根据带隙起始与截止频率计算公式建立了用于HR型声学超材料正向设计的数学模型,设计了一种HR型声学超材料正向设计方法,并通过MATLAB GUI开发了正向设计的可视化界面。最后,通过3D打印机打印了二维HR型声学超材料板件,搭建实验平台测试了样件的吸声系数和吸声量,并将实验测试结果与仿真结果进行对照;设计并制备了一种可替换短管尺寸的HR型声学超材料周期板件,对不同短管尺寸超材料板件的吸声性能进行了测试。本文对HR型声学超材料的声学特性能进行了研究,提出了一种正向设计方法,为声学超材料的结构设计和工程应用提供了新的思路,使声学超材料在汽车中低频降噪方面的应用更加简单高效。
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