基于鸮肤羽耦合吸声机理的多层吸声结构仿生设计及制备研究

This project faces the technical demand of high performance broadband sound absorption material for China's aviation, high-speed trains and military fields, carries out the key technology research that aims at design, analysis and preparation of sound-absorbing material bionic coupling structure, it mainly includes: Have a research of the synergy and coupling effect between multiple factors such as macro/micro structure, morphology, composition and arrangement of the owl chest skin and coverts based on coupling bionics principle, built cross coupling structure model, reveal its sound absorption noise reduction mechanism; Establish the acoustic model of coupling structure based on biot-Allard model with multiple population genetic algorithm, set up on-demand optimization design model for a specific frequency (low, middle and high frequency band); And finally prepare the flexible ultra micro-perforations panel（ultra MPP）with micro-electro mechanical systems（MEMS）, polyester/polyurethane composite fiber materials using blending extrusion process, and then prepare the bionic coupling absorption samples with excellent sound absorption performance at a particular frequency. The on-demand optimization design of sound absorption structure and preparation of silicon-based ultra MPP based on multiple bionic coupling principle are expected to break through the bottleneck problems that the preparation of ultra MPP and the on-demand design of multilayer absorption material are difficult, has important academic value and practical application value.

本项目面向我国航空、高铁及军工等行业对高性能宽频带吸声材料的技术需求，开展针对吸声材料仿生耦合结构设计、分析及制备关键技术的研究，主要包括：基于耦合仿生学原理，研究鸮胸部皮肤和覆羽的宏/微观结构、形态、组成及排列规律等多因素间的协同和耦合作用，构建跨尺度耦合结构模型，揭示其吸声降噪机理；采用多种群遗传算法，基于biot-Allard模型等建立耦合结构的吸声模型，并针对特定频段（低、中、高频段）进行按需优化设计；基于微机电系统工艺制备柔性超微穿孔板，共混热压工艺制备涤纶/聚氨酯复合纤维材料，进而制备出在特定频段具有优异吸声性能的仿生耦合吸声样件。本项目基于多元仿生耦合原理的吸声结构按需优化设计和硅基超微穿孔板的制备，有望突破吸声材料应用及制备中面临的“超微穿孔板制备难，多层吸声材料按需设计难”的瓶颈问题，具有重要的学术价值和实际应用价值。

本项目面向我国航空、高铁及军工等行业对高性能宽频带吸声材料的技术需求，开展针对吸声材料仿生耦合结构设计、分析及制备关键技术的研究。首先，基于鸮皮肤和覆羽的多层次组织结构与形态特征，建立了不同仿生耦合模型。分析了单层微穿孔板（MPP）、多孔材料（PM）、双层微穿孔板（DMPP）和多孔材料复合微穿孔板（PM-MPP）吸声体的各参数对其声学性能的影响规律。基于多种群遗传算法针对低频段、中频段、高频段以及固定频率点进行优化设计，并进行试验验证。结果表明MPP低频段吸声效果更好，中高频优化后吸声频带较窄，固定频率点优化吸声系数可达到1。PM的中高频吸声效果更好，频带有所扩宽，但低频吸声效果略显不足。多种群遗传算法优化的吸声性能以及带宽明显优于标准遗传算法。在低频环境下，DMPP吸声性能略高于PM-MPP，中高频环境下，PM-MPP吸声性能远远高于DMPP，PM-MPP可以作为一种较好好的吸声体应用在实际生活中。其次，针对多层耦合结构，鉴于参数过多无法进行参数优化，对其声学性能进行了仿真计算及实验测试。0-2000Hz内的垂直入射平均吸声系数达到0.778，200-2000Hz内达到0.85。低频吸声系数的显著提高可归功于微缝板和柔性微穿孔膜的Helmholtz效应，与PM结合则导致宽频段内吸声系数的进一步提高。然后，项目进展中发现柔性-刚性耦合穿孔板可能具有较好的低频吸声效果，于是探索了油泥耦合微穿孔板（OCMPP）的声学性能，在金属冲孔板内加入油泥材料，制造不同结构参数的OCMPP，试验测试其吸声系数并与数值计算结果进行对比。结果发现，OCMPP在孔径较大与穿孔率较大的参数条件下，其吸声系数曲线向低频方向移动；当孔径或穿孔率过小时，OCMPP与常规MPP性能无较大差别。最后，项目探索性地提出了两种制造简单且成本低廉的提高MPP吸声性能的新方法。改变MPP的微孔分布，对MPP的吸声性能有着较大影响。穿孔肋板耦合MPP可以类比为DMPP，其吸声系数曲线的第一个波峰会向低频移动，表明其低频吸声性能有一定提高。第二个波峰与单层MPP吸声系数曲线峰值一致，吸声带宽会有较大幅度缩减。