1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
噪声通常是指能够发声的物体在进行无规则振动时所发出的声音，这种声音会在空气中以波的形式进行传播，当噪声对人或者周围的环境造成巨大的影响时，会形成噪声污染（noise pollution）[1]。随着科学技术的不断进步和发展，创造出了多种多样的机械设备，这些设备被广泛应用于生产和生活中，给人类社会带来了进步和发展，使人们的生活水平有了很大提高。但与此同时，这些机械设备也产生了很多负面影响，其产生的噪音严重影响着人们的生活和学习，当人们长期处于噪声较大的环境中时，会使人精神紊乱，给人们的精神健康带来巨大伤害，因此必须对噪声进行控制，使其在人们听觉可接受的范围内。
噪声控制理论在国防军事、飞机仪表、微机械等领域具有重要的意义，是静音潜艇设计、微机械高精度加工技术的基础[2]。噪声控制就是对产生噪声的来源、噪声的传播途径以及接受者等进行一系列的调查和分析，并充分了解噪声控制要求，在满足经济和技术要求的条件下对声学环境采取合理的降噪措施[3]。声学系统构成如图 1.1 所示。
由声学系统的构成可以看出，噪声控制可以从三个方面进行：
（1）在声源处降低噪声。可通过减少机械设备，重新设计机械结构，选用噪声较低的材料，改进机械传动装置，采用消声、隔声等方法来减少噪声污染。
（2）在噪声传播途径中降低噪声。最常用的噪声控制方法是控制传播途径中的 噪声。当机械设备生产完成以后，在声源处对噪声进行控制不太容易实现，因此会考虑在传播途径中对噪声进行控制。在噪声大的环境周围铺设绿化带以缩小噪声干扰范围，在房间内布置吸音棉等吸声材料以减少反射声的影响；在有气流流过的管道上安装消声器，以阻挡空气在管道内的传播；也可以通过增设吸声、隔声屏障，利用自然地形物来降低噪声[4]。
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1.2 声学超材料的研究现状
声学超材料实际上是一种人工复合材料或复合结构，它是由一些特殊的结构胞元进行周期排列构成的，由于其具有稳定的物理性质而被广泛应用于低频减振降噪技术中。它的概念与声子晶体相似，而声子晶体是一种弹性常数及密度均呈周期性分布的材料或结构。在 20 世纪 90 年代初期，Kushwaha 等人提出了“声子晶体”这一概念，并对由镍和铝两种材料组成的二维周期结构进行研究，他们发现当声波在该结构中传播时，在某一频率范围内会受到制约，不能向前传播，并获得了二维周期结构的声波能带图[10]。1995 年，Martinez-Sala 等人对“流动的旋律”雕像进行声学测试，发现声波在这一结构中传播时，会发生多次反射相消，在某一特定频率处发生声波衰减，经过证实得出了周期结构的弹性波带隙[11]。此后，人们对声子晶体的研究越来越深入。
声学超材料是由声子晶体发展而来的，两者在研究方法上是相似的，主要区别在于声子晶体研究的是带隙理论和带隙特性，而声学超材料研究的是材料的“双负”特性，即负的弹性模量和负的质量密度[12，13]。2000 年，香港科技大学的 Liu 等人在《Science》上提出“声学超材料”的概念，并基于局域共振原理提出一种三维声子晶体结构，如图1.2 所示，基体材料为环氧树脂，硅橡胶充当“弹簧”，铅块充当“质量块”组成“弹簧-质量”系统，为局域共振理论研究奠定了基础[14]。
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2 材料隔声特性研究
2.1 隔声机理
噪声具有声音的一些性质，噪声声波以平面波的形式传播，遵循声音的传播规律，因此，想要达到隔声或者降噪效果，必须对噪声在介质中的传播规律进行深入研究，以便从噪声传播途径加以控制。本文研究的是低频隔声性能，因此需要对低频噪声进行分析，建立平面声波在声场中的变化规律，从而研究薄膜型声学超材料的低频隔声性能。
平面声波是指波阵面与其传播方向垂直的声波，属于弱扰动波，在均匀理想流体介质中，弱扰动波的一维平面声波的波动方程为：
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2.2 薄膜振动方程的建立
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3 薄膜型声学超材料的结构设计及加工工艺.......................17
3.2 薄膜型声学超材料加工工艺 ............................. 18
4 薄膜型声学超材料单胞结构性能仿真与实验...................24
4.1 单胞结构的自振特性分析 ...................................... 24
4.2 单胞隔声性能仿真 ...................................... 28
5 薄膜型声学超材料隔声性能的影响因素分析....................46
5.1 层次分析法 .................................. 46
5.2 正交分析法 ................................... 51
5 薄膜型声学超材料隔声性能的影响因素分析
5.1 层次分析法
层次分析法（Analytic Hierarchy Process），简称为AHP，是一种可用于解决多目标问题的系统化、层次化的决策方法[71]，基于评价者对目标问题的实质、影响要素等的分析研究，通过定性指标与定量指标相结合，建立多级分层结构模型，通过分配目标权重关系对目标系统进行全面评价。早在20世纪70年代初，这种方法由美国运筹学家匹茨堡大学教授Thomas Saaty提出[72]，可以对一些难于用定量方法解决的问题进行有效处理，将复杂问题简化并分成若干个层次，在层次上逐步分析。本文通过AHP方法对薄膜型声学超材料隔声性能的影响因素进行分析和评估，通过yaahp软件构建层次分析模型，并对各个因素进行分层，将每一层的两两因素相互比较，将比较结果通过判断矩阵表示 出来。
由于薄膜型声学超材料的隔声性能会受到很多因素的影响，本文将使用 AHP 方法对这些影响因素进行分层，共设置为 2 个指标，即柔性薄膜和质量块，选取综合指标进行评价从而可以有效地避免单一指标衡量的范围有限且波动性大的弊端。通过 AHP 方法计算这些指标所占的权重，并对其进行归一化检验。
.........................6 结论与展望
6.1 全文工作总结
本文以柔性薄膜和附加质量块组成的薄膜型声学超材料为研究对象，从单个胞元结构的振动特性出发，对其低频隔声性能进行了研究。研究内容包括探究薄膜型声学超材料的隔声机理、薄膜型声学超材料的结构设计、对其加工工艺研究并改进和不同参数对其隔声量峰值频率的影响规律。得到的主要结论如下：
（1）研究了隔声材料隔声机理以及隔声性能评价指标，对薄膜型声学超材料加工工艺的进行分析研究，设计了结构紧凑、工艺简单的薄膜型声学超材料胞元结构，并加工出实验所需的柔性薄膜。
（2）对薄膜型声学超材料进行模态分析，得到了其单胞结构的固有振动特性。在此基础上，建立了薄膜型声学超材料的有限元仿真模型，并搭建了基于四传声器法的实验平台。通过对比仿真和实验得到的隔声量曲线，验证了有限元仿真模型的正确性。为后续探究薄膜型声学超材料结构参数对隔声量的影响规律奠定基础。
（3）对影响薄膜型声学超材料隔声特性的多个因素进行层次分析，得出影响隔声量的主要因素为薄膜厚度、薄膜预紧力和附加质量块质量，并为这三个因素划分水平，运用正交表对各个水平进行仿真方案设计，得到 25 种参数组合。对这 25 种方案分别进行仿真，运用正交仿真分析法对仿真结果进行分析，得到隔声量峰值最大的优选方案（薄膜厚度 0.14mm，薄膜预紧力 7N/m，附加质量块 0.30g）。
（4）对仿真结果进行分析，得到了薄膜厚度对隔声量峰值影响最大，其次为附加质量块的质量，最后为薄膜预紧力的结论。可以为薄膜型声学超材料的设计提供一定 参考。
参考文献（略）