《NVH前沿科技與工程應用》以簡潔明了的形式、通俗易懂的文字，配合豐富的圖表，通過大量可借鑒、可復制的詳細開發(fā)方法與工程應用案例，系統(tǒng)介紹了由聲學超材料/超結構催生的NVH前沿科技成果，包含聲學黑洞、聲學超材料、局域共振超材料、新型減振技術、微穿孔板、施羅德擴散器和仿生聲學超材料等內容，力求幫助讀者開闊眼界、提升認知，啟迪讀者迸發(fā)出更多奇思妙想。
本書既適合作為從事NVH相關工作的工程技術人員的實踐參考書，也適合作為高等院校機械、汽車、船舶、航空等專業(yè)師生的教學參考書。
北京市版權局著作權合同登記圖字：0120226767號。
簡明原理 豐富案例
破解NVH工程創(chuàng)新秘密
NVH工程師工具書
中國科學院院士聞邦椿、清華大學汽車產業(yè)與技術戰(zhàn)略研究院院長趙福全聯(lián)袂推薦
系統(tǒng)介紹聲學超材料/超結構催生的NVH前沿科技成果與工程案例
囊括聲學黑洞、聲學超材料、局域共振超材料、新型減振技術、微穿孔板、施羅德擴散器和仿生聲學超材料等內容
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NVH中的N代表Noise（噪聲），V代表Vibration（振動），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所帶來的困擾與不適，我們一直致力于使用NVH技術來減少這類影響。
傳統(tǒng)的NVH技術有兩大基本功能，一個是隔聲功能，另一個是吸聲功能。隔聲功能是阻止聲音從一個介質進入另一個介質，而吸聲功能則是將一個介質中聲音的能量轉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量定理（Mass Law）與聲音吸收的吸聲定理（Absorption Theorem）的基礎上。這兩個定理都與所處理的聲的波長有關，波長越大，頻率越低，需要的隔聲或吸聲材料就越厚。另外一個影響因素是質量密度，質量密度越大，聲音的傳遞損失就越大。因此，傳統(tǒng)的NVH技術都受制于材料厚度的影響。當我們試圖控制中、低頻（波長為06～3m）的聲波時，設計空間制約了NVH技術的應用。還有一個NVH應用的現(xiàn)實問題是，無論是質量定理還是吸聲定理，都對聲音的峰值頻率沒有選擇性，換句話說，就是不能對聲音在某些頻率上的峰值進行有選擇性的控制。例如，電動汽車驅動電機的噪聲是有階次的，傳統(tǒng)的NVH技術無法對這些具有階次的噪聲進行有選擇性的控制，因為傳統(tǒng)的NVH材料服從聲波的反射與折射定律。
近年來，電磁學、光學技術有了突破性的發(fā)展，電磁隱身、完美透鏡等新技術相繼誕生。這些突破性的技術都屬于超材料技術范疇。超材料技術是通過人們在結構與材料上的巧妙設計，使所設計出的材料與結構產生自然界中所不具備的特性，例如電磁學中的負介電常數，或負磁導率，或兩者均為負。負介電常數在自然界的物質中是不存在的。這些自然界中不存在的特性產生了奇異的物理特性：負折射、左手材料、完美透鏡、電磁與光隱身等。超材料的奇異負反射與負折射特性啟發(fā)人們導出了廣義反射定律與廣義折射定律，這就為超材料的設計提供了理論基礎。
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材料的特性應用于NVH技術。電磁學中的負介電常數與負磁導率，相當于聲學中的質量密度與彈性模量。如果在聲學介質中質量密度為負，或彈性模量為負，或兩者皆為負，則聲波會產生奇異的負折射與負反射現(xiàn)象，這對聲波的傳播產生了奇特的影響，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下完成的，也就是說，用于減少噪聲的部件厚度是所減少的噪聲波長的128%，起到了四兩撥千斤的作用。另一個突出的特點是，這些NVH 新技術本身與制造這些裝置的材料幾乎是沒有關系的，它們只與裝置本身的結構相關，這就突破了對NVH新技術的使用場合與環(huán)境的所有限制。這些神奇的NVH特性為NVH技術開辟了一個新的領域，為NVH技術的發(fā)展帶來了新的方向。
本書以簡潔明了的形式、通俗易懂的文字，通過大量可借鑒、可復制的詳細開發(fā)方法與實際應用案例，系統(tǒng)介紹了各種由聲學超材料催生的NVH前沿科技成果，包含聲學黑洞、聲學超材料、局域共振超材料、新型減振技術、微穿孔板、施羅德擴散器和仿生聲學超材料等，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。本書在講解實際應用案例時，盡可能涵蓋了包括原理、材料、方法在內的所有內容，使讀者可以按圖索驥，親手重現(xiàn)應用過程和結果，這能幫助讀者更好地理解NVH新技術的內涵與價值，提高讀者的開發(fā)設計與實施操作能力，更有利于讀者舉一反三，去繼續(xù)踐行NVH技術的創(chuàng)新之路。
黃顯利
黃顯利，博士畢生于美國密歇根州立大學，常年從事NVH工作，即有頗深的理論造詣，又有多年的汽車、卡車NVH設計、開發(fā)、改進經驗。曾經撰寫過兩本NVH書籍，都受到了讀者的歡迎與熱評，銷量相當不錯，是汽車行業(yè)NVH領域的知名專家，曾經服務于多家汽車企業(yè)。
致謝
前言
第1章聲學黑洞與伊頓透鏡1
1.1聲學黑洞1
1.1.1聲學黑洞的技術背景1
1.1.2聲學黑洞的理論基礎3
1.1.3聲學黑洞的結構7
1.1.4聲學黑洞特性的利用10
1.1.5聲學黑洞技術的應用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伊頓透鏡的應用23
參考文獻25
第2章聲學超材料28
2.1問題的提出28
2.2技術背景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廣義反射定律的說明案例36
2.3.4為什么聲學超結構具有超越自然
結構的特性38
2.4超材料的設計方法論39
2.5超材料/超表面的基本結構單元41
2.5.1迷宮式單元41
2.5.2開口式單元47
2.5.3五模式單元48
2.5.4聲單向傳播單元50
2.5.5振動控制單元53
2.6隱身技術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消聲瓦的設計59
2.7.2阻抗?jié)u變多層復合消聲結構60
2.7.3開口式導管混合共振器60
2.7.4二比特編碼超構表面61
2.7.5五模式編碼超構表面61
2.8地球物理級大尺寸超材料的抗地震
效應63
2.8.1共振超級楔形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/超結構的應用實例68
2.9.1超材料在加強核磁共振成像中的
應用69
2.9.2超材料在高保真揚聲器上的
應用69
2.9.3五模式材料在床墊上的應用70
2.9.4超結構在變電所的減噪應用71
2.9.5多功能超材料在高層建筑中的
應用71
2.9.6三維多共振聲子在高鐵上的
應用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)境減噪中的應用74
2.9.10混凝土大壩的抗震保護76
2.9.11土壩的抗震保護76
2.9.12超結構在海上鉆井平臺與海岸
建筑防海嘯中的應用76
2.9.13考古學超結構78
2.9.14超結構在超級城市規(guī)劃中的
應用78
參考文獻79
第3章局域共振超材料84
3.1問題的提出84
3.2技術背景84
3.3薄膜共振型超結構單元85
3.3.1鑲嵌薄膜振子85
3.3.2薄膜型等效負質量單元86
3.3.3局域共振單元86
3.3.4低頻超級吸聲單元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超薄板型超結構95
3.4.1超薄板單元95
3.4.2單元與列陣之間的關系97
3.4.3蜂窩加薄膜型聲學超結構97
3.4.4多重耦合1/4波長管共振器98
3.4.5負彈性模量及負質量密度超
結構99
3.5局域共振超材料的應用實例103
3.5.1超材料在印度飛機艙內的應用103
3.5.2輕量化帶有薄膜的三明治蜂窩
結構在飛機中的應用103
3.5.3薄膜型聲學超材料在軍用飛機
上的應用103
3.5.4雙基局域共振聲子在汽車車身
上的應用104
3.5.5超材料在音響設備上的應用105
3.5.6可接附式局域共振超材料在汽車
減噪上的應用105
3.6大規(guī)模生產的局域共振超材料108
3.6.1單元構造108
3.6.2單元減振效果實測108
參考文獻109
第4章新型減振技術111
4.1技術背景111
4.1.1愛因斯坦廣義相對論與超級隔振
系統(tǒng)111
4.1.2超級隔振系統(tǒng)113
4.1.3古老的機械與古老的問題115
4.1.4古老的機械需要創(chuàng)新的技術115
4.2機械式負剛度減振器116
4.2.1設計背景116
4.2.2負剛度減振理論117
4.2.3設計參數選擇117
4.2.4設計結果119
4.2.5負剛度減振器的特點119
4.3機械減振器基本結構121
4.3.1機械式負剛度減振器的結構
垂直運動121
4.3.2機械式負剛度減振器的結構
水平運動121
4.3.3梁型柱的水平運動隔振機構121
4.3.4遲滯阻尼水平隔振系統(tǒng)123
4.3.5自動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主動與自動調節(jié)水平系統(tǒng)125
4.3.8主動減振座椅結構125
4.3.9激光與光學設備的負剛度
減振器126
4.3.10三葉草圓頂形及貝氏蝶形彈簧
墊圈的負剛度行為127
4.3.11具有負剛度的汽車座椅懸置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133
4.4電磁式負剛度減振器結構137
4.4.1單自由度準零剛度磁懸浮主動
減振器137
4.4.2具有無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負剛度磁彈簧減振器單元140
4.4.6六自由度磁懸浮準零剛度
減振器141
4.5主動式負剛度減振器的結構144
4.5.1單調型144
4.5.2寬帶擾動的主動控制145
4.6適應性可調制振動阻尼器147
4.6.1可調剛度梁型減振器147
4.6.2可調梁曲率的減振器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可調制流體填裝梁減振器149
4.7零剛度重力補償與平衡技術150
4.7.1被動式低重力模擬器150
4.7.2人體工學手臂中性支撐系統(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減振器在飛機中的應用157
4.8.1硬裝結構157
4.8.2軟裝結構157
4.8.3金屬絲網懸置158
4.8.4流體彈性懸置158
4.8.5主動減振控制158
4.8.6可調制減振器159
4.8.7主動結構控制159
4.9減振技術在音視頻設備中的應用160
4.9.1音響架與隔振墊160
4.9.2精密儀器臺架的隔振161
4.10引力波探測激光干涉儀器的
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幾何反彈簧過濾器169
4.11其他應用169
4.11.1船舶發(fā)動機懸置及其應用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光刻機的隔振174
4.11.8空調系統(tǒng)的空氣壓縮機的
減振175
參考文獻175
第5章微穿孔板179
5.1問題的提出179
5.2理論基礎179
5.2.1微穿孔板對平面波的吸聲系數180
5.2.2微穿孔板的斜入射與隨機入射的
吸聲系數181
5.2.3雙層微穿孔板結構的吸聲系數181
5.3微穿孔板的設計、構造與安裝183
5.3.1微穿孔板最大吸聲系數與頻率的
計算183
5.3.2微穿孔板的參數設計184
5.3.3微穿孔板安裝注意事項184
5.3.4微穿孔板的應用優(yōu)勢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構185
5.4.2多層微穿孔板結構185
5.4.3微穿孔板結構與透氣性薄膜以及
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微穿孔板的應用實例190
5.5.1微穿孔板在建筑上的應用191
5.5.2微穿孔板在餐廳的應用191
5.5.3微穿孔板在排練房與樂池的
應用191
5.5.4微穿孔板在高鐵隧道口處的
應用192
5.5.5微穿孔板在演講廳、會議室等
環(huán)境中的應用193
5.5.6微穿孔板在柴油發(fā)電機組中的
應用194
5.5.7微穿孔板在火箭整流罩中的
應用196
5.5.8微穿孔板在航空發(fā)動機中的
應用197
5.6微穿孔板的潛在應用198
5.6.1微穿孔板吸聲器在空調與通風系統(tǒng)
管道上的應用198
5.6.2基于微穿孔管的新型發(fā)動機排氣
消聲器198
5.6.3微穿孔板用于草坪修剪設備的
靜音200
5.6.4微穿孔板在空氣噴嘴管道中作為
管道過濾器201
5.6.5微穿孔板作為聲學窗202
5.6.6微穿孔膜在車輛聲學包中的
應用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
掃描機中的應用204
5.6.9微穿孔板吸聲器在圓柱體中的
應用204
參考文獻205
第6章施羅德擴散器208
6.1問題的提出208
6.1.1施羅德教授的發(fā)現(xiàn)209
6.1.2數學家的悖論與中國余數定理209
6.2理論基礎210
6.2.1簡約的優(yōu)雅：二次剩余序列210
6.2.2二次剩余序列在擴散器設計中的
實施211
6.2.3最大長度序列212
6.2.4最大長度序列在擴散器設計中的
實施214
6.2.5施羅德擴散器聲場的直觀顯示214
6.2.6二維施羅德擴散器215
6.3施羅德擴散器的其他形式216
6.3.1調制相位反射格柵擴散器217
6.3.2原生根序列擴散器217
6.3.3折疊井式施羅德擴散器219
6.3.4分形擴散器219
6.3.5二維二進制幅值擴散器222
6.3.6三進制序列擴散器226
6.4施羅德擴散器的優(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超級擴散器229
6.5.1超薄型超結構施羅德擴散器229
6.5.2超級施羅德擴散器230
6.5.3超薄平面施羅德擴散器231
6.5.4全息漩渦螺旋擴散器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施羅德擴散器的應用實例235
6.6.1施羅德擴散器在音樂廳中的
應用235
6.6.2施羅德擴散器在舞臺中的應用236
6.6.3施羅德擴散器在小提琴練琴房中的
應用236
6.6.4施羅德擴散器在錄音棚中的
應用238
6.7施羅德擴散器的商業(yè)化應用239
6.7.1施羅德擴散器商業(yè)化推動者
彼得·丹東尼奧博士239
6.7.2制作施羅德擴散器240
6.7.3制作二維二進制幅值擴散器241
6.7.4制作二維原生根施羅德擴散器241
6.7.5二維原生根施羅德擴散器的
應用242
6.7.6其他施羅德擴散器的制作243
6.8施羅德擴散器的潛在應用243
6.8.1超薄結構擴散器243
6.8.2高速公路及高鐵聲障244
6.8.3施羅德擴散器作為吸聲器245
6.9舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家245
參考文獻246
第7章仿生聲學超材料249
7.1問題的提出249
7.1.1墨子的木鳶249
7.1.2達·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原理251
7.2貓頭鷹翅膀的聲學特性252
7.2.1貓頭鷹翅膀的形態(tài)學特征252
7.2.2貓頭鷹翅膀前緣梳子狀結構的
研究254
7.2.3貓頭鷹翅膀后緣流蘇狀結構的
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力學與聲學
特性258
7.3安靜飛機螺旋槳葉片生物仿生260
7.3.1受貓頭鷹翅膀
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