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《NVH前沿科技與工程應(yīng)用》以簡(jiǎn)潔明了的形式、通俗易懂的文字，配合豐富的圖表，通過(guò)大量可借鑒、可復(fù)制的詳細(xì)開(kāi)發(fā)方法與工程應(yīng)用案例，系統(tǒng)介紹了由聲學(xué)超材料/超結(jié)構(gòu)催生的NVH前沿科技成果，包含聲學(xué)黑洞、聲學(xué)超材料、局域共振超材料、新型減振技術(shù)、微穿孔板、施羅德擴(kuò)散器和仿生聲學(xué)超材料等內(nèi)容，力求幫助讀者開(kāi)闊眼界、提升認(rèn)知，啟迪讀者迸發(fā)出更多奇思妙想。
本書(shū)既適合作為從事NVH相關(guān)工作的工程技術(shù)人員的實(shí)踐參考書(shū)，也適合作為高等院校機(jī)械、汽車(chē)、船舶、航空等專(zhuān)業(yè)師生的教學(xué)參考書(shū)。
北京市版權(quán)局著作權(quán)合同登記圖字：0120226767號(hào)。

NVH中的N代表Noise（噪聲），V代表Vibration（振動(dòng)），H代表Harshness（敲擊或沖擊）。我們使用的工具甚至我們居住的環(huán)境，充滿了NVH所帶來(lái)的困擾與不適，我們一直致力于使用NVH技術(shù)來(lái)減少這類(lèi)影響。
傳統(tǒng)的NVH技術(shù)有兩大基本功能，一個(gè)是隔聲功能，另一個(gè)是吸聲功能。隔聲功能是阻止聲音從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入另一個(gè)介質(zhì)，而吸聲功能則是將一個(gè)介質(zhì)中聲音的能量轉(zhuǎn)化成另外的能量形式，然后加以吸收。這兩大功能分別建立在傳遞損失的質(zhì)量定理（Mass Law）與聲音吸收的吸聲定理（Absorption Theorem）的基礎(chǔ)上。這兩個(gè)定理都與所處理的聲的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越大，頻率越低，需要的隔聲或吸聲材料就越厚。另外一個(gè)影響因素是質(zhì)量密度，質(zhì)量密度越大，聲音的傳遞損失就越大。因此，傳統(tǒng)的NVH技術(shù)都受制于材料厚度的影響。當(dāng)我們?cè)噲D控制中、低頻（波長(zhǎng)為06～3m）的聲波時(shí)，設(shè)計(jì)空間制約了NVH技術(shù)的應(yīng)用。還有一個(gè)NVH應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是，無(wú)論是質(zhì)量定理還是吸聲定理，都對(duì)聲音的峰值頻率沒(méi)有選擇性，換句話說(shuō)，就是不能對(duì)聲音在某些頻率上的峰值進(jìn)行有選擇性的控制。例如，電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的噪聲是有階次的，傳統(tǒng)的NVH技術(shù)無(wú)法對(duì)這些具有階次的噪聲進(jìn)行有選擇性的控制，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的NVH材料服從聲波的反射與折射定律。
近年來(lái)，電磁學(xué)、光學(xué)技術(shù)有了突破性的發(fā)展，電磁隱身、完美透鏡等新技術(shù)相繼誕生。這些突破性的技術(shù)都屬于超材料技術(shù)范疇。超材料技術(shù)是通過(guò)人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)與材料上的巧妙設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)出的材料與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自然界中所不具備的特性，例如電磁學(xué)中的負(fù)介電常數(shù)，或負(fù)磁導(dǎo)率，或兩者均為負(fù)。負(fù)介電常數(shù)在自然界的物質(zhì)中是不存在的。這些自然界中不存在的特性產(chǎn)生了奇異的物理特性：負(fù)折射、左手材料、完美透鏡、電磁與光隱身等。超材料的奇異負(fù)反射與負(fù)折射特性啟發(fā)人們導(dǎo)出了廣義反射定律與廣義折射定律，這就為超材料的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
聲波與電磁波和光波一樣，都服從麥克斯韋（Maxwell）方程。人們自然而然地想把這些神奇的電磁與光學(xué)材料的特性應(yīng)用于NVH技術(shù)。電磁學(xué)中的負(fù)介電常數(shù)與負(fù)磁導(dǎo)率，相當(dāng)于聲學(xué)中的質(zhì)量密度與彈性模量。如果在聲學(xué)介質(zhì)中質(zhì)量密度為負(fù)，或彈性模量為負(fù)，或兩者皆為負(fù)，則聲波會(huì)產(chǎn)生奇異的負(fù)折射與負(fù)反射現(xiàn)象，這對(duì)聲波的傳播產(chǎn)生了奇特的影響，例如傳播方向的改變、波的傳播禁帶、完美吸聲等。這些減噪效果都是在次波長(zhǎng)下完成的，也就是說(shuō)，用于減少噪聲的部件厚度是所減少的噪聲波長(zhǎng)的128%，起到了四兩撥千斤的作用。另一個(gè)突出的特點(diǎn)是，這些NVH 新技術(shù)本身與制造這些裝置的材料幾乎是沒(méi)有關(guān)系的，它們只與裝置本身的結(jié)構(gòu)相關(guān)，這就突破了對(duì)NVH新技術(shù)的使用場(chǎng)合與環(huán)境的所有限制。這些神奇的NVH特性為NVH技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，為NVH技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的方向。
本書(shū)以簡(jiǎn)潔明了的形式、通俗易懂的文字，通過(guò)大量可借鑒、可復(fù)制的詳細(xì)開(kāi)發(fā)方法與實(shí)際應(yīng)用案例，系統(tǒng)介紹了各種由聲學(xué)超材料催生的NVH前沿科技成果，包含聲學(xué)黑洞、聲學(xué)超材料、局域共振超材料、新型減振技術(shù)、微穿孔板、施羅德擴(kuò)散器和仿生聲學(xué)超材料等，力求為讀者拋磚引玉，激發(fā)讀者的創(chuàng)造力，啟迪讀者迸發(fā)出更多奇思妙想。本書(shū)在講解實(shí)際應(yīng)用案例時(shí)，盡可能涵蓋了包括原理、材料、方法在內(nèi)的所有內(nèi)容，使讀者可以按圖索驥，親手重現(xiàn)應(yīng)用過(guò)程和結(jié)果，這能幫助讀者更好地理解NVH新技術(shù)的內(nèi)涵與價(jià)值，提高讀者的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)施操作能力，更有利于讀者舉一反三，去繼續(xù)踐行NVH技術(shù)的創(chuàng)新之路。

黃顯利

致謝
前言
第1章聲學(xué)黑洞與伊頓透鏡1
1.1聲學(xué)黑洞1
1.1.1聲學(xué)黑洞的技術(shù)背景1
1.1.2聲學(xué)黑洞的理論基礎(chǔ)3
1.1.3聲學(xué)黑洞的結(jié)構(gòu)7
1.1.4聲學(xué)黑洞特性的利用10
1.1.5聲學(xué)黑洞技術(shù)的應(yīng)用12
1.2伊頓透鏡21
1.2.1什么是伊頓透鏡21
1.2.2波在伊頓透鏡中的傳播特性22
1.2.3伊頓透鏡的應(yīng)用23
參考文獻(xiàn)25
第2章聲學(xué)超材料28
2.1問(wèn)題的提出28
2.2技術(shù)背景30
2.2.1聲波的斯涅爾反射定律30
2.2.2聲波的斯涅爾折射定律31
2.2.3臨界角與全反射32
2.2.4全反射與海市蜃樓現(xiàn)象33
2.3廣義斯涅爾反射與折射定律34
2.3.1光程與相位34
2.3.2三維廣義反射與折射定律35
2.3.3廣義反射定律的說(shuō)明案例36
2.3.4為什么聲學(xué)超結(jié)構(gòu)具有超越自然
結(jié)構(gòu)的特性38
2.4超材料的設(shè)計(jì)方法論39
2.5超材料/超表面的基本結(jié)構(gòu)單元41
2.5.1迷宮式單元41
2.5.2開(kāi)口式單元47
2.5.3五模式單元48
2.5.4聲單向傳播單元50
2.5.5振動(dòng)控制單元53
2.6隱身技術(shù)54
2.6.1五模式聲隱身單元54
2.6.2聲電磁水下波超表面隱身地毯56
2.6.3微波頻率的磁隱身單元57
2.6.4聲隱身鑲嵌薄膜混合型單元58
2.7水下聲隱身59
2.7.1消聲瓦的設(shè)計(jì)59
2.7.2阻抗?jié)u變多層復(fù)合消聲結(jié)構(gòu)60
2.7.3開(kāi)口式導(dǎo)管混合共振器60
2.7.4二比特編碼超構(gòu)表面61
2.7.5五模式編碼超構(gòu)表面61
2.8地球物理級(jí)大尺寸超材料的抗地震
效應(yīng)63
2.8.1共振超級(jí)楔形63
2.8.2森林作為天然抗震超材料64
2.8.3圓柱形孔列陣對(duì)表面波的衰減66
2.8.4土壤中的鉆孔作為抗震超材料66
2.9超材料/超結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例68
2.9.1超材料在加強(qiáng)核磁共振成像中的
應(yīng)用69
2.9.2超材料在高保真揚(yáng)聲器上的
應(yīng)用69
2.9.3五模式材料在床墊上的應(yīng)用70
2.9.4超結(jié)構(gòu)在變電所的減噪應(yīng)用71
2.9.5多功能超材料在高層建筑中的
應(yīng)用71
2.9.6三維多共振聲子在高鐵上的
應(yīng)用71
2.9.7通氣透明消聲窗73
2.9.8超薄吸聲器73
2.9.9超材料在環(huán)境減噪中的應(yīng)用74
2.9.10混凝土大壩的抗震保護(hù)76
2.9.11土壩的抗震保護(hù)76
2.9.12超結(jié)構(gòu)在海上鉆井平臺(tái)與海岸
建筑防海嘯中的應(yīng)用76
2.9.13考古學(xué)超結(jié)構(gòu)78
2.9.14超結(jié)構(gòu)在超級(jí)城市規(guī)劃中的
應(yīng)用78
參考文獻(xiàn)79
第3章局域共振超材料84
3.1問(wèn)題的提出84
3.2技術(shù)背景84
3.3薄膜共振型超結(jié)構(gòu)單元85
3.3.1鑲嵌薄膜振子85
3.3.2薄膜型等效負(fù)質(zhì)量單元86
3.3.3局域共振單元86
3.3.4低頻超級(jí)吸聲單元87
3.3.5超薄共平面螺旋管吸聲單元87
3.3.6薄膜型列陣隔聲單元91
3.3.7超薄低頻完美共振吸聲單元91
3.3.8薄膜式同軸環(huán)質(zhì)量單元92
3.3.9超薄低頻吸聲單元93
3.3.10大型薄膜型低頻吸聲單元93
3.3.11雙負(fù)薄膜雙六角形柱體單元93
3.3.12雙層薄膜型單元95
3.4超薄板型超結(jié)構(gòu)95
3.4.1超薄板單元95
3.4.2單元與列陣之間的關(guān)系97
3.4.3蜂窩加薄膜型聲學(xué)超結(jié)構(gòu)97
3.4.4多重耦合1/4波長(zhǎng)管共振器98
3.4.5負(fù)彈性模量及負(fù)質(zhì)量密度超
結(jié)構(gòu)99
3.5局域共振超材料的應(yīng)用實(shí)例103
3.5.1超材料在印度飛機(jī)艙內(nèi)的應(yīng)用103
3.5.2輕量化帶有薄膜的三明治蜂窩
結(jié)構(gòu)在飛機(jī)中的應(yīng)用103
3.5.3薄膜型聲學(xué)超材料在軍用飛機(jī)
上的應(yīng)用103
3.5.4雙基局域共振聲子在汽車(chē)車(chē)身
上的應(yīng)用104
3.5.5超材料在音響設(shè)備上的應(yīng)用105
3.5.6可接附式局域共振超材料在汽車(chē)
減噪上的應(yīng)用105
3.6大規(guī)模生產(chǎn)的局域共振超材料108
3.6.1單元構(gòu)造108
3.6.2單元減振效果實(shí)測(cè)108
參考文獻(xiàn)109
第4章新型減振技術(shù)111
4.1技術(shù)背景111
4.1.1愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論與超級(jí)隔振
系統(tǒng)111
4.1.2超級(jí)隔振系統(tǒng)113
4.1.3古老的機(jī)械與古老的問(wèn)題115
4.1.4古老的機(jī)械需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)115
4.2機(jī)械式負(fù)剛度減振器116
4.2.1設(shè)計(jì)背景116
4.2.2負(fù)剛度減振理論117
4.2.3設(shè)計(jì)參數(shù)選擇117
4.2.4設(shè)計(jì)結(jié)果119
4.2.5負(fù)剛度減振器的特點(diǎn)119
4.3機(jī)械減振器基本結(jié)構(gòu)121
4.3.1機(jī)械式負(fù)剛度減振器的結(jié)構(gòu)
垂直運(yùn)動(dòng)121
4.3.2機(jī)械式負(fù)剛度減振器的結(jié)構(gòu)
水平運(yùn)動(dòng)121
4.3.3梁型柱的水平運(yùn)動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)121
4.3.4遲滯阻尼水平隔振系統(tǒng)123
4.3.5自動(dòng)控制垂向高度的隔振器124
4.3.6具有附加阻尼的六自由度
隔振器125
4.3.7主動(dòng)與自動(dòng)調(diào)節(jié)水平系統(tǒng)125
4.3.8主動(dòng)減振座椅結(jié)構(gòu)125
4.3.9激光與光學(xué)設(shè)備的負(fù)剛度
減振器126
4.3.10三葉草圓頂形及貝氏蝶形彈簧
墊圈的負(fù)剛度行為127
4.3.11具有負(fù)剛度的汽車(chē)座椅懸置128
4.3.12剪刀式座椅減振器130
4.3.13歐拉梁型負(fù)剛度減振器130
4.3.14超低頻歐拉壓彎梁式減振器131
4.3.15準(zhǔn)零剛度座椅懸置132
4.3.16NewDamp彈性減振器132
4.3.17斯圖爾特平臺(tái)133
4.4電磁式負(fù)剛度減振器結(jié)構(gòu)137
4.4.1單自由度準(zhǔn)零剛度磁懸浮主動(dòng)
減振器137
4.4.2具有無(wú)限剛度的磁懸浮減振器138
4.4.3三自由度零揉度減振器139
4.4.4六自由度零揉度磁執(zhí)行器139
4.4.5負(fù)剛度磁彈簧減振器單元140
4.4.6六自由度磁懸浮準(zhǔn)零剛度
減振器141
4.5主動(dòng)式負(fù)剛度減振器的結(jié)構(gòu)144
4.5.1單調(diào)型144
4.5.2寬帶擾動(dòng)的主動(dòng)控制145
4.6適應(yīng)性可調(diào)制振動(dòng)阻尼器147
4.6.1可調(diào)剛度梁型減振器147
4.6.2可調(diào)梁曲率的減振器147
4.6.3形狀變化減振器147
4.6.4形狀記憶合金型減振器147
4.6.5可調(diào)制流體填裝梁減振器149
4.7零剛度重力補(bǔ)償與平衡技術(shù)150
4.7.1被動(dòng)式低重力模擬器150
4.7.2人體工學(xué)手臂中性支撐系統(tǒng)152
4.7.3手持錄像穩(wěn)定系統(tǒng)153
4.7.4手臂重力平衡矯形器155
4.7.5人腿重力平衡矯形器155
4.8減振器在飛機(jī)中的應(yīng)用157
4.8.1硬裝結(jié)構(gòu)157
4.8.2軟裝結(jié)構(gòu)157
4.8.3金屬絲網(wǎng)懸置158
4.8.4流體彈性懸置158
4.8.5主動(dòng)減振控制158
4.8.6可調(diào)制減振器159
4.8.7主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制159
4.9減振技術(shù)在音視頻設(shè)備中的應(yīng)用160
4.9.1音響架與隔振墊160
4.9.2精密儀器臺(tái)架的隔振161
4.10引力波探測(cè)激光干涉儀器的
減振163
4.10.1倒擺型減振器164
4.10.2主動(dòng)控制166
4.10.3二維低頻X型擺減振器167
4.10.4X型雙擺懸掛系統(tǒng)168
4.10.5幾何反彈簧過(guò)濾器169
4.11其他應(yīng)用169
4.11.1船舶發(fā)動(dòng)機(jī)懸置及其應(yīng)用169
4.11.2高鐵的減振170
4.11.3精密儀器的精密隔振系統(tǒng)171
4.11.4Minus K精密隔振器172
4.11.5熱真空試驗(yàn)的隔振系統(tǒng)173
4.11.6原子力顯微鏡的隔振174
4.11.7光刻機(jī)的隔振174
4.11.8空調(diào)系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)的
減振175
參考文獻(xiàn)175
第5章微穿孔板179
5.1問(wèn)題的提出179
5.2理論基礎(chǔ)179
5.2.1微穿孔板對(duì)平面波的吸聲系數(shù)180
5.2.2微穿孔板的斜入射與隨機(jī)入射的
吸聲系數(shù)181
5.2.3雙層微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)181
5.3微穿孔板的設(shè)計(jì)、構(gòu)造與安裝183
5.3.1微穿孔板最大吸聲系數(shù)與頻率的
計(jì)算183
5.3.2微穿孔板的參數(shù)設(shè)計(jì)184
5.3.3微穿孔板安裝注意事項(xiàng)184
5.3.4微穿孔板的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)184
5.4微穿孔板的其他形式185
5.4.1微穿孔板后接附蜂窩結(jié)構(gòu)185
5.4.2多層微穿孔板結(jié)構(gòu)185
5.4.3微穿孔板結(jié)構(gòu)與透氣性薄膜以及
空隙材料的組合186
5.4.4微穿孔板吸聲器的空腔分割188
5.4.5微穿孔板空腔的不同分割形式189
5.4.6微穿孔板空腔中加孔隙材料189
5.5微穿孔板的應(yīng)用實(shí)例190
5.5.1微穿孔板在建筑上的應(yīng)用191
5.5.2微穿孔板在餐廳的應(yīng)用191
5.5.3微穿孔板在排練房與樂(lè)池的
應(yīng)用191
5.5.4微穿孔板在高鐵隧道口處的
應(yīng)用192
5.5.5微穿孔板在演講廳、會(huì)議室等
環(huán)境中的應(yīng)用193
5.5.6微穿孔板在柴油發(fā)電機(jī)組中的
應(yīng)用194
5.5.7微穿孔板在火箭整流罩中的
應(yīng)用196
5.5.8微穿孔板在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的
應(yīng)用197
5.6微穿孔板的潛在應(yīng)用198
5.6.1微穿孔板吸聲器在空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)
管道上的應(yīng)用198
5.6.2基于微穿孔管的新型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣
消聲器198
5.6.3微穿孔板用于草坪修剪設(shè)備的
靜音200
5.6.4微穿孔板在空氣噴嘴管道中作為
管道過(guò)濾器201
5.6.5微穿孔板作為聲學(xué)窗202
5.6.6微穿孔膜在車(chē)輛聲學(xué)包中的
應(yīng)用203
5.6.7微穿孔板吸聲器與亥姆霍茲
共振器的集成203
5.6.8微穿孔板吸聲器在核磁共振
掃描機(jī)中的應(yīng)用204
5.6.9微穿孔板吸聲器在圓柱體中的
應(yīng)用204
參考文獻(xiàn)205
第6章施羅德擴(kuò)散器208
6.1問(wèn)題的提出208
6.1.1施羅德教授的發(fā)現(xiàn)209
6.1.2數(shù)學(xué)家的悖論與中國(guó)余數(shù)定理209
6.2理論基礎(chǔ)210
6.2.1簡(jiǎn)約的優(yōu)雅：二次剩余序列210
6.2.2二次剩余序列在擴(kuò)散器設(shè)計(jì)中的
實(shí)施211
6.2.3最大長(zhǎng)度序列212
6.2.4最大長(zhǎng)度序列在擴(kuò)散器設(shè)計(jì)中的
實(shí)施214
6.2.5施羅德擴(kuò)散器聲場(chǎng)的直觀顯示214
6.2.6二維施羅德擴(kuò)散器215
6.3施羅德擴(kuò)散器的其他形式216
6.3.1調(diào)制相位反射格柵擴(kuò)散器217
6.3.2原生根序列擴(kuò)散器217
6.3.3折疊井式施羅德擴(kuò)散器219
6.3.4分形擴(kuò)散器219
6.3.5二維二進(jìn)制幅值擴(kuò)散器222
6.3.6三進(jìn)制序列擴(kuò)散器226
6.4施羅德擴(kuò)散器的優(yōu)化227
6.4.1井深優(yōu)化227
6.4.2基本形狀優(yōu)化228
6.5超級(jí)擴(kuò)散器229
6.5.1超薄型超結(jié)構(gòu)施羅德擴(kuò)散器229
6.5.2超級(jí)施羅德擴(kuò)散器230
6.5.3超薄平面施羅德擴(kuò)散器231
6.5.4全息漩渦螺旋擴(kuò)散器232
6.5.5二次剩余序列井深散射型微穿孔板
吸聲器234
6.6施羅德擴(kuò)散器的應(yīng)用實(shí)例235
6.6.1施羅德擴(kuò)散器在音樂(lè)廳中的
應(yīng)用235
6.6.2施羅德擴(kuò)散器在舞臺(tái)中的應(yīng)用236
6.6.3施羅德擴(kuò)散器在小提琴練琴房中的
應(yīng)用236
6.6.4施羅德擴(kuò)散器在錄音棚中的
應(yīng)用238
6.7施羅德擴(kuò)散器的商業(yè)化應(yīng)用239
6.7.1施羅德擴(kuò)散器商業(yè)化推動(dòng)者
彼得·丹東尼奧博士239
6.7.2制作施羅德擴(kuò)散器240
6.7.3制作二維二進(jìn)制幅值擴(kuò)散器241
6.7.4制作二維原生根施羅德擴(kuò)散器241
6.7.5二維原生根施羅德擴(kuò)散器的
應(yīng)用242
6.7.6其他施羅德擴(kuò)散器的制作243
6.8施羅德擴(kuò)散器的潛在應(yīng)用243
6.8.1超薄結(jié)構(gòu)擴(kuò)散器243
6.8.2高速公路及高鐵聲障244
6.8.3施羅德擴(kuò)散器作為吸聲器245
6.9舊時(shí)王謝堂前燕，飛入尋常百姓家245
參考文獻(xiàn)246
第7章仿生聲學(xué)超材料249
7.1問(wèn)題的提出249
7.1.1墨子的木鳶249
7.1.2達(dá)·芬奇的仿生飛行器249
7.1.3從仿生飛行到仿生安靜飛行250
7.1.4貓頭鷹捕捉獵物的聲學(xué)原理251
7.2貓頭鷹翅膀的聲學(xué)特性252
7.2.1貓頭鷹翅膀的形態(tài)學(xué)特征252
7.2.2貓頭鷹翅膀前緣梳子狀結(jié)構(gòu)的
研究254
7.2.3貓頭鷹翅膀后緣流蘇狀結(jié)構(gòu)的
研究255
7.2.4貓頭鷹翅膀柔軟絨毛的研究257
7.2.5貓頭鷹翅膀的空氣動(dòng)力學(xué)與聲學(xué)
特性258
7.3安靜飛機(jī)螺旋槳葉片生物仿生260
7.3.1受貓頭鷹翅膀

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