供稿人：尹文成、王玲 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-11-24
对于中高频噪声通常使用双层隔音墙、多孔纤维材料、多孔泡沫材料等传统材料或结构，但此类方法隔绝低频噪音通常需要非常厚的尺寸，不适合紧凑的环境。局域共振声子晶体为低频噪声的控制提供了方案：常用局部共振超材料按结构可分为膜式声学超材料和板型声学超材料，膜式声学超材料通常将质量粘附在薄膜上，膜的张力难以精准控制，结构耐久性也不够；而板型没有这一缺陷。
但传统板型声学超材料想要实现宽频带隔声就得设计的很厚，不利于应用，因此本文设计了一种层压声学超材料（LAMS），通过面内梯度参数与局部共振单元厚度方向的层级层压并行耦合，可以同时拓宽带宽并增加振幅。基于对两层SLAM的数值分析，本研究讨论了传输损耗（TL）的结果和层间叠加耦合隔声的工作机理。LAMS的TL分析揭示了其在低频宽带范围内实现超强隔音效果的能力。通过半解析方法和小规模阻抗管实验验证了本研究中数值分析的准确性。本文提出的LAMS在各种高噪声机械设备或工作场所的宽带降噪控制方面具有巨大的潜力。[1]
结构设计：层压声学超材料由两个不同结构的单层声学超材料（SLAM）组成，分别为SLAM-A和SLAM-B，两层SLAM之间有一定的空气间隙。SLAM-A中单胞尺寸相同，内部有多种不同大小质量块并且不均匀分布，而SLAM-B中单胞尺寸不一样。
图1 （a）LAMS组成示意图（b）两层SLAM的几何尺寸（c）LAMS各部件的厚度尺寸
对结构进行隔声性能分析，结果表明，单个SLAM-A和-B的工作频段依然局限于较小的范围，单独使用效果不够理想，因此为了进一步提高隔声能力，拓宽隔声频带，这里考虑设计成在厚度方向串联两者的超材料形式，中间预留一定的空气间隙。结合后的隔声曲线如图所示，隔声范围结合了两者各自的频段，且隔声的峰值远超单个超材料，这表明所设计的LAMS可以在很宽的频率范围内实现超强隔音。
图2 LAMS的传输特性曲线（为了便于比较，给出了SLAM-A和SLAM-B的传输特性以及与LAMS具有相同表面密度的质量定律预测结果）
之后进行实验验证，实验样件如图所示，两块层压板之间用铝框架隔开。实验结果与仿真结果存在一定差异，但是隔声峰值和谷值频率存在相似性，结果可靠。
图3（a） 实验样品照片（b） LAMS样品组合示意图
与现有的隔声超材料相比，本文提出的LAMS具有厚度薄、工作频带宽、隔声幅度高等优点，在各种高噪声机械设备或工作场所的宽带降噪控制中具有广阔的应用前景。