IMECH-IR  > 国家微重力实验室
基于振子耦合效应的水下吸声材料宽频吸声机理研究
Alternative TitleInvestigation of broadband absorption mechanisms of underwater sound-absrobing materials
陈猛
Thesis Advisor王育人
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline一般力学与力学基础
Abstract性能优异的水下吸声材料在噪声控制、声呐探测、潜艇声隐身及水声通讯等军民两用技术中一直有着迫切的应用需求。传统的水声材料通常是橡胶一类的高分子材料,受吸声机制所限,主要存在材料尺度大、低频性能差、吸声频带窄、不耐静水压力等问题,难以满足未来大潜深潜艇的隐身要求。因此,亟待解决低频范围内及复杂服役条件下(高静水压力)的吸声问题。局域共振声学超材料可以打破质量密度定律,以较小尺度实现对长波长声波的有效控制,为解决低频吸声问题提供了思路,但吸声频带过窄制约了它在水声中的应用。针对上述问题,本论文利用共振子间耦合作用开展局域共振宽频带隙形成机制研究,并将该机制拓展至声子玻璃的力学建模及宽频吸声机理研究中。 首先利用一维质量弹簧模型构筑多振子耦合系统,数值分析结果显示共振子间的耦合作用使带隙分化为了两个,并使其得到了有效拓宽。将该系统拓展至三维局域共振木堆结构,计算结果证实正交共振子(剪切共振子与压缩共振子)的耦合作用将带隙拓宽了128Hz,并发现耦合作用强弱与带隙宽度有密切关系。同时数值计算与实验结果表明局域共振声子木堆能够对声波产生强吸收,可以用于水下吸声。 在上述研究基础上,利用有限元方法开展了声子玻璃的物理建模研究,依次建立了二维虚拟弹簧模型、二维泡沫金属网状模型及三维隐函数模型。并结合实验结果对局域共振吸声机制在声子玻璃中的表现形式进行了讨论,研究发现具有共振子强耦合作用的网络化局域共振是声子玻璃宽频强吸声的内因,其中局域共振作用是声子玻璃实现强吸声的关键,而互穿网络结构带来的强耦合效应是声子玻璃呈现宽频的关键。 在应用研究方面,通过性能优化使声子玻璃在常压下500Hz-10000Hz内吸声系数大于0.8,在3MPa静水压力下1000Hz-10000Hz频率范围内吸声系数大于0.7,在4.5MPa静水压力下1000Hz-10000Hz频率范围内吸声系数大于0.6。测试结果表明声子玻璃突破了传统水下吸声材料抗压能力与吸声性能不能兼顾的矛盾,可以满足大潜深潜艇的隐身需求。并对声子玻璃进行拓展应用研究,重点考察了它在隔声、阻尼减振等方面的潜在应用。 另外本文还利用高速摄像机对准二维的高密度激光打孔过程开展了原位观察实验,首次实现了对孔内外物理现象的观测,给出了各个物理过程随时间的演化图像,并首次得到了熔体沸腾存在的实验证据,为高密度激光打孔过程工艺优化提供了数据支撑。 本论文提出的多振子耦合系统可以在宽频范围内对声波产生带隙或强吸收效应,为局域共振声学超材料的带隙工程及新型水下吸声材料的设计提供了新的思路。
Call Number31204
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55057
Collection国家微重力实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
陈猛. 基于振子耦合效应的水下吸声材料宽频吸声机理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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