摘要
近年来，利用声学人工结构实现对声波的新奇调控取得了快速发展。基于声学人工结构设计新型声学功能器件也备受关注。在噪声控制工程中，由于低频噪声波长很长、穿透力强，传统的吸声材料吸收性能较差，且面临体积厚重、造价较高的问题。声学超材料“小尺寸控制大波长”的特性为解决这些难题提供了新途径。在实际应用中，不同场景下对吸声器的构造和功能有特定的要求，本论文针对狭窄空间需宽频降噪、目标噪声频率未知、吸声的同时允许通风传热这三种应用场景/功能，利用亥姆霍兹共振型超材料开展低频宽带吸声体、双频超薄可调超表面、多带非对称吸收和反射系统的理论分析、仿真模拟和实验制备。 第二章中，基于阵列式延长颈亥姆霍兹共振结构，设计了一种低频宽带吸声体。首先建立了吸声理论模型和数值模型。通过反射系数复频率方法与有限元方法研究了吸声单体的低频吸声性能和主要吸声机理。阵列式颈部的设计为结构提供了高度声阻抗可调特性，有助于加工制造以及组建宽频吸声体。由此，将多个吸声单体并联成一个厚度仅为6cm的宽带耦合吸声体，在340Hz-690Hz范围内平均吸声系数大于0.9，并实验验证了该吸声体的准确性和可行性。 第三章中，在亥姆霍兹共振器的基础上，利用穿孔板和裂管共振结构的耦合设计，构造了一种可调双频超薄的吸声超表面。首先使用等效电路方法建立了吸声理论模型，通过有限元方法研究了超表面在低频段的吸声性能。然后，理论分析了结构参数对吸收性能的影响。最后，通过并联两个不同单元设计了一个宽带共面吸声超表面。结果表明：该吸声超表面在厚度为20mm的情况下，旋转开口环的角度可以在327Hz-750Hz范围内实现两个高效吸收峰的可控调节；宽带超表面在λ/30的深亚波长尺度下，在460Hz-500Hz平均吸声系数大于0.9。所设计的结构具有超薄的厚度、易于执行的调节工作频率方式，有效提高了噪声控制的灵活性。 第四章中，利用含有不同辐射模的高阶亥姆霍兹共振器和通风波导，组建了多带的非对称声吸收和反射系统。在耦合模式理论的基础上建立了系统的物理模型；分别使用传递矩阵法和双负载法进行理论和实验研究。研究表明：暗模和亮模在每个共振频率上耦合可以实现多带的高效吸收，且系统仅需两个功能单元。此外，实验上还制备了一个基于多模对的混合多带非对称系统。混合多带系统的一侧几乎完全地吸收低频入射声波，同时反射高频声波；相反，另一侧有效地反射低频声波，吸收高频声波。本工作展示了实现多带非对称吸收和反射的灵活性，也为双向波操纵装置的设计提供了一种方法。
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