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    基于声学超材料的低频噪声与振动控制技术.pdf

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    基于声学超材料的低频噪声与振动控制技术.pdf

    Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会 基于 声学超材料的低频噪声与振动控制技术 Low-frequency noise and vibration control technology based on acoustic metamaterials Restricted NVH Committee of SAE-China 吴九汇 Jiu Hui Wu 教授 Professor 西安交通大学 机械工程学院 机械结构强度与振动国家重点实验室 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH 控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 内容介绍  声学超材料的基本思想  声学超材料的低频吸声及隔声技术  声学超材料的低频“硬隔振”技术  声学超材料的气动噪声控制技术  仿生超材料的低频宽带减振技术  结论和展望 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH 控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 内容介绍  声学超材料的基本思想  声学超材料的低频吸声及隔声技术  声学超材料的低频“硬隔振”技术  声学超材料的气动噪声控制技术  仿生超材料的低频宽带减振技术  结论和展望 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 5 声学超材料定义 a0 a l 微观尺度 介观尺度  a0 a l 声子晶体对低频输入就是超材料  一种均质化波动材料(声波 /弹性波)  微结构谐振导致宏观材料具有特殊的响应 宏观尺度 小尺度控制低频大波长 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 6 声学超材料的介观人工 单元 动力吸振器 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 7 局域共振带隙及模态 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 8 声学超材料的实现途径 声子晶体 类比电磁波左手材料 声学超材料 局域共振机理 (吸声 /振) 等效负质量 /负刚度特性 隔声 /振 Fkm effeff  XX Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH 控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 内容介绍  声学超材料的基本思想  声学超材料的低频吸声及隔声技术  声学超材料的低频“硬隔振”技术  声学超材料的气动噪声控制技术  仿生超材料的低频宽带减振技术  结论和展望 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 10 在 200Hz 800Hz的低频宽带范围内具有高达 80以上的吸声系数,可降噪 14dB. 1.膜类声学超材料的低频吸声技术 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 11 从振型图可以看出, 每一阶峰值主要是质量块在 z方向上的振动引起的 ; 前 8阶( Ⅰ ~ Ⅷ )吸声系数的峰值对应着不同质量块在 z方向上的振动,第 9阶( Ⅸ ) 峰值频率对应着每个单元的中间薄膜振动。 1.膜类声学超材料的低频吸声技术 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 12 2.膜类声学超材料隔声系数 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 20 40 60 SPLdB Frequency 226 229 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 13 3.多层薄板型超材料的低频隔声技术 [F. Ma, Jiu Hui Wu Journal of Physics D Applied Physics, 48 2015 465305 7pp] Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 14 4.蜂窝型声学超材料的低频隔声技术 蜂窝型声学超材料 单胞结构尺寸 hz10mm, l3.65mm, t0.07mm,hm0.25mm. 薄膜的材料为乳胶橡胶 , 其力学性能为 E7MPa,ρ1000kg/m3,ν0.49. 蜂窝材料为 ABS塑料 , 其密度为 1040kg/m3. 整个超材料的面密度为 1.1611kg/m2. m em brane honeycom b hz hz hm hz t [K Lu, J H Wu, et al. AIP Advances, Vol. 6, 025116, 2016] Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 15 4.蜂窝型声学超材料的低频隔声技术 在 低频段 ( ≤500Hz) 这种材料的隔声量 ( ≥25dB) ; 在低频段 , 尤其是超低频段 , 与质量定 律对比发现 , 这种薄膜的隔声量明显好于相同面密度均匀板的隔声性能 。 100 1000 0 10 20 30 40 50 60 So u n d tr an smi ssi o n l o ss d B F r e q u e n c y Hz T he si m ul atio n r esu l t s T he ex pe r i m en t r esu l t s T he m ass la w Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH 控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 提高超材料隔声性能的基本措施 随着 薄膜厚度的增加 , 超材料的隔声性能不断的提高 , 对于 hz0.4mm的薄膜 , 其 500Hz处的隔声量> 30dB; 随着薄膜张力的增加 , 超材料的隔声量不断提高 , 对于预应力为 2MPa的超材料其 500Hz时的隔声量> 46dB。 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 0 10 20 30 40 50 60 70 Sound t rans m is s ion los s dB F requency H z T h i ck n e ss0.10 m m T h i ck n e ss0.15 m m T h i ck n e ss0.20 m m T h i ck n e ss0.25 m m T h i ck n e ss0.30 m m T h i ck n e ss0.35 m m T h i ck n e ss0.40 m m 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Sound t rans m is s ion los s dB F requency H z Pre s tre s s 0 M Pa Pre s tre s s 0 .0 0 2 M Pa Pre s tre s s 0 .0 2 M Pa Pre s tre s s 0 .2 M Pa Pre s tre s s 2 M Pa 4.蜂窝型声学超材料的低频隔声技术 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 17 5.次声波 防护技术 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 18 内容介绍  声学超材料的基本思想  声学超材料的低频吸声及隔声技术  声学超材料的低频“硬隔振”技术  声学超材料的气动噪声控制技术  仿生超材料的低频宽带减振技术  结论和展望 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 19 1.空间相机的低频微颤振处理  主镜和次镜对于 卫 星上空间相机微颤振 很敏感,达到了 10-7m的数量级 。  54~ 69Hz的频率范围内都能引起空间相 机的共振,从而引起微颤振 , 影响空间 相机的成像质量 。 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 20 2.“硬隔振”技术 “硬隔振” 支撑大重物 低频隔振 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 21 Low-frequency Inertial Amplification Mechanism 2221112 2 2 t a na uT m u m u m     21 22V k u 0       d T T Vd t u u u According to Lagrange equation 22 4 0ta n amm u k u    2 14 2 2 ta n a k f m m    Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 22 Modal of node A Modal of node B [Mingming Hou, Jiu Hui Wu, et al., Modern Physics Letters B, Vol.31, 1750251 14 pages, 2017] Low-frequency Inertial Amplification Mechanism Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 23 内容介绍  声学超材料的基本思想  声学超材料的低频吸声及隔声技术  声学超材料的低频“硬隔振”技术  声学超材料的气动噪声控制技术  仿生超材料的低频宽带减振技术  结论和展望 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 24 1.旋转叶片表面的超结构 设计 旋转叶片涡流噪声 的形成有两个主要原因 ,一是气流流经叶片时产生的紊流附面层导致的叶 片上的压力脉动 ;二是附层面发展到一定程度导致的尾涡脱落引起的叶片边缘的压力脉动 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 25 旋转叶片表面的超结构 设计 0 2000 4000 6000 8000 10000 -2 0 -1 0 0 10 20 30 40 50 60 声压级( db ) 频率( HZ ) 叶片表面光滑 叶片表面有凸起 监测点 1 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 26 2.应用丝网结构的离心通风机低频降噪 [刘红星 , 吴九汇等 南京大学学报 , Vol. 49, No.4, 530-537, 2013年 ] Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 27 3.激波降噪机理的火炮膛口消音器 设计 消音器设计与仿真分析 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 28 光膛口时测得的声压幅值 加消音器后测得的声压幅值 消音器实验 验证 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 29 消音器的降噪效果明显,降 噪量在 15.5dB22.9dB之间, 均值降噪量为 19.6dB。 采用总压理论分析的降噪量 为 16.65dB左右,接近实际降 噪量的下限 ,实验与仿真分 析基本一致 实验降噪量与理论分析降噪量基本一致,证明了采用激波理论降低膛口噪声 以 及采用总压进行降噪量分析的可行性 。 [闫艳艳 ,吴九汇 应用激波降噪机理的炮口消音器设计及实验验证, 西安 交通大学学报 , Vol.52, No.4, 31-39, 2018] 消音器实验 验证 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 30 内容介绍  声学超材料的基本思想  声学超材料的低频吸声及隔声技术  声学超材料的低频“硬隔振”技术  声学超材料的气动噪声控制技术  仿生超材料的低频宽带减振技术  结论和展望 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 31 鱼类体表凹坑的仿生研究 在球体表面上设置凹坑型非光滑结构可以减少在流体中运动的阻力和噪声 在叶片表面模仿中华鲟鱼等鱼类的体表凹坑形状制作了凹坑形仿生非光滑表 面,其流动阻力减小,凹坑的不同分布导致减阻的情况有所不同,其中菱形 分布的减阻效果最好,减阻率最高可达 22 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 32 Cochlear outer hair cell structure Fig. a The structure of the cochlear and Basic membrane; b the detailed structure of the Corti organ; c clustered stereocilia of the outer hair cells OHCs; d the structure of the HC and stereocilia Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 33 Bionic metamaterials of Cochlear outer hair cells Fig. a a simplified cellular model of cochlear outer hair cells; bthe bio-inspired OHC structure; c the bio-inspired structure without stereocilia a b c [Ma, Wu, Huang, and Zhang, Applied Physics A, 122 5, 5251-8, 2016] Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 34 Bionic metamaterials of Cochlear outer hair cells Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 35 Bionic metamaterials of Cochlear outer hair cells Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 36 Bionic metamaterials of Cochlear outer hair cells Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 37 内容介绍  声学超材料的基本思想  声学超材料的低频吸声及隔声技术  声学超材料的低频“硬隔振”技术  声学超材料的气动噪声控制技术  仿生超材料的低频宽带减振技术  结论和展望 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 38 结论和展望 声学超材料技术有望解决低频噪声和振动控制难题 声学超材料技术可进一步提高汽车声振舒适性 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 39 研究团队 Restricted NVH Committee of SAE-China 2018汽车 NVH控制技术国际研讨会(江苏 苏州) 40 谢谢大家

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