《NVH前沿科技与工程应用》以简洁明了的形式、通俗易懂的文字，配合丰富的图表，通过大量可借鉴、可复制的详细开发方法与工程应用案例，系统介绍了由声学超材料/超结构催生的NVH前沿科技成果，包含声学黑洞、声学超材料、局域共振超材料、新型减振技术、微穿孔板、施罗德扩散器和仿生声学超材料等内容，力求帮助读者开阔眼界、提升认知，启迪读者迸发出更多奇思妙想。
本书既适合作为从事NVH相关工作的工程技术人员的实践参考书，也适合作为高等院校机械、汽车、船舶、航空等专业师生的教学参考书。
北京市版权局著作权合同登记图字：0120226767号。
简明原理 丰富案例
破解NVH工程创新秘密
NVH工程师工具书
中国科学院院士闻邦椿、清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全联袂推荐
系统介绍声学超材料/超结构催生的NVH前沿科技成果与工程案例
囊括声学黑洞、声学超材料、局域共振超材料、新型减振技术、微穿孔板、施罗德扩散器和仿生声学超材料等内容
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NVH中的N代表Noise（噪声），V代表Vibration（振动），H代表Harshness（敲击或冲击）。我们使用的工具甚至我们居住的环境，充满了NVH所带来的困扰与不适，我们一直致力于使用NVH技术来减少这类影响。
传统的NVH技术有两大基本功能，一个是隔声功能，另一个是吸声功能。隔声功能是阻止声音从一个介质进入另一个介质，而吸声功能则是将一个介质中声音的能量转化成另外的能量形式，然后加以吸收。这两大功能分别建立在传递损失的质量定理（Mass Law）与声音吸收的吸声定理（Absorption Theorem）的基础上。这两个定理都与所处理的声的波长有关，波长越大，频率越低，需要的隔声或吸声材料就越厚。另外一个影响因素是质量密度，质量密度越大，声音的传递损失就越大。因此，传统的NVH技术都受制于材料厚度的影响。当我们试图控制中、低频（波长为06～3m）的声波时，设计空间制约了NVH技术的应用。还有一个NVH应用的现实问题是，无论是质量定理还是吸声定理，都对声音的峰值频率没有选择性，换句话说，就是不能对声音在某些频率上的峰值进行有选择性的控制。例如，电动汽车驱动电机的噪声是有阶次的，传统的NVH技术无法对这些具有阶次的噪声进行有选择性的控制，因为传统的NVH材料服从声波的反射与折射定律。
近年来，电磁学、光学技术有了突破性的发展，电磁隐身、完美透镜等新技术相继诞生。这些突破性的技术都属于超材料技术范畴。超材料技术是通过人们在结构与材料上的巧妙设计，使所设计出的材料与结构产生自然界中所不具备的特性，例如电磁学中的负介电常数，或负磁导率，或两者均为负。负介电常数在自然界的物质中是不存在的。这些自然界中不存在的特性产生了奇异的物理特性：负折射、左手材料、完美透镜、电磁与光隐身等。超材料的奇异负反射与负折射特性启发人们导出了广义反射定律与广义折射定律，这就为超材料的设计提供了理论基础。
声波与电磁波和光波一样，都服从麦克斯韦（Maxwell）方程。人们自然而然地想把这些神奇的电磁与光学材料的特性应用于NVH技术。电磁学中的负介电常数与负磁导率，相当于声学中的质量密度与弹性模量。如果在声学介质中质量密度为负，或弹性模量为负，或两者皆为负，则声波会产生奇异的负折射与负反射现象，这对声波的传播产生了奇特的影响，例如传播方向的改变、波的传播禁带、完美吸声等。这些减噪效果都是在次波长下完成的，也就是说，用于减少噪声的部件厚度是所减少的噪声波长的128%，起到了四两拨千斤的作用。另一个突出的特点是，这些NVH 新技术本身与制造这些装置的材料几乎是没有关系的，它们只与装置本身的结构相关，这就突破了对NVH新技术的使用场合与环境的所有限制。这些神奇的NVH特性为NVH技术开辟了一个新的领域，为NVH技术的发展带来了新的方向。
本书以简洁明了的形式、通俗易懂的文字，通过大量可借鉴、可复制的详细开发方法与实际应用案例，系统介绍了各种由声学超材料催生的NVH前沿科技成果，包含声学黑洞、声学超材料、局域共振超材料、新型减振技术、微穿孔板、施罗德扩散器和仿生声学超材料等，力求为读者抛砖引玉，激发读者的创造力，启迪读者迸发出更多奇思妙想。本书在讲解实际应用案例时，尽可能涵盖了包括原理、材料、方法在内的所有内容，使读者可以按图索骥，亲手重现应用过程和结果，这能帮助读者更好地理解NVH新技术的内涵与价值，提高读者的开发设计与实施操作能力，更有利于读者举一反三，去继续践行NVH技术的创新之路。
黄显利
黄显利，博士毕生于美国密歇根州立大学，常年从事NVH工作，即有颇深的理论造诣，又有多年的汽车、卡车NVH设计、开发、改进经验。曾经撰写过两本NVH书籍，都受到了读者的欢迎与热评，销量相当不错，是汽车行业NVH领域的知名专家，曾经服务于多家汽车企业。
致谢
前言
第1章声学黑洞与伊顿透镜1
1.1声学黑洞1
1.1.1声学黑洞的技术背景1
1.1.2声学黑洞的理论基础3
1.1.3声学黑洞的结构7
1.1.4声学黑洞特性的利用10
1.1.5声学黑洞技术的应用12
1.2伊顿透镜21
1.2.1什么是伊顿透镜21
1.2.2波在伊顿透镜中的传播特性22
1.2.3伊顿透镜的应用23
参考文献25
第2章声学超材料28
2.1问题的提出28
2.2技术背景30
2.2.1声波的斯涅尔反射定律30
2.2.2声波的斯涅尔折射定律31
2.2.3临界角与全反射32
2.2.4全反射与海市蜃楼现象33
2.3广义斯涅尔反射与折射定律34
2.3.1光程与相位34
2.3.2三维广义反射与折射定律35
2.3.3广义反射定律的说明案例36
2.3.4为什么声学超结构具有超越自然
结构的特性38
2.4超材料的设计方法论39
2.5超材料/超表面的基本结构单元41
2.5.1迷宫式单元41
2.5.2开口式单元47
2.5.3五模式单元48
2.5.4声单向传播单元50
2.5.5振动控制单元53
2.6隐身技术54
2.6.1五模式声隐身单元54
2.6.2声电磁水下波超表面隐身地毯56
2.6.3微波频率的磁隐身单元57
2.6.4声隐身镶嵌薄膜混合型单元58
2.7水下声隐身59
2.7.1消声瓦的设计59
2.7.2阻抗渐变多层复合消声结构60
2.7.3开口式导管混合共振器60
2.7.4二比特编码超构表面61
2.7.5五模式编码超构表面61
2.8地球物理级大尺寸超材料的抗地震
效应63
2.8.1共振超级楔形63
2.8.2森林作为天然抗震超材料64
2.8.3圆柱形孔列阵对表面波的衰减66
2.8.4土壤中的钻孔作为抗震超材料66
2.9超材料/超结构的应用实例68
2.9.1超材料在加强核磁共振成像中的
应用69
2.9.2超材料在高保真扬声器上的
应用69
2.9.3五模式材料在床垫上的应用70
2.9.4超结构在变电所的减噪应用71
2.9.5多功能超材料在高层建筑中的
应用71
2.9.6三维多共振声子在高铁上的
应用71
2.9.7通气透明消声窗73
2.9.8超薄吸声器73
2.9.9超材料在环境减噪中的应用74
2.9.10混凝土大坝的抗震保护76
2.9.11土坝的抗震保护76
2.9.12超结构在海上钻井平台与海岸
建筑防海啸中的应用76
2.9.13考古学超结构78
2.9.14超结构在超级城市规划中的
应用78
参考文献79
第3章局域共振超材料84
3.1问题的提出84
3.2技术背景84
3.3薄膜共振型超结构单元85
3.3.1镶嵌薄膜振子85
3.3.2薄膜型等效负质量单元86
3.3.3局域共振单元86
3.3.4低频超级吸声单元87
3.3.5超薄共平面螺旋管吸声单元87
3.3.6薄膜型列阵隔声单元91
3.3.7超薄低频完美共振吸声单元91
3.3.8薄膜式同轴环质量单元92
3.3.9超薄低频吸声单元93
3.3.10大型薄膜型低频吸声单元93
3.3.11双负薄膜双六角形柱体单元93
3.3.12双层薄膜型单元95
3.4超薄板型超结构95
3.4.1超薄板单元95
3.4.2单元与列阵之间的关系97
3.4.3蜂窝加薄膜型声学超结构97
3.4.4多重耦合1/4波长管共振器98
3.4.5负弹性模量及负质量密度超
结构99
3.5局域共振超材料的应用实例103
3.5.1超材料在印度飞机舱内的应用103
3.5.2轻量化带有薄膜的三明治蜂窝
结构在飞机中的应用103
3.5.3薄膜型声学超材料在军用飞机
上的应用103
3.5.4双基局域共振声子在汽车车身
上的应用104
3.5.5超材料在音响设备上的应用105
3.5.6可接附式局域共振超材料在汽车
减噪上的应用105
3.6大规模生产的局域共振超材料108
3.6.1单元构造108
3.6.2单元减振效果实测108
参考文献109
第4章新型减振技术111
4.1技术背景111
4.1.1爱因斯坦广义相对论与超级隔振
系统111
4.1.2超级隔振系统113
4.1.3古老的机械与古老的问题115
4.1.4古老的机械需要创新的技术115
4.2机械式负刚度减振器116
4.2.1设计背景116
4.2.2负刚度减振理论117
4.2.3设计参数选择117
4.2.4设计结果119
4.2.5负刚度减振器的特点119
4.3机械减振器基本结构121
4.3.1机械式负刚度减振器的结构
垂直运动121
4.3.2机械式负刚度减振器的结构
水平运动121
4.3.3梁型柱的水平运动隔振机构121
4.3.4迟滞阻尼水平隔振系统123
4.3.5自动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主动与自动调节水平系统125
4.3.8主动减振座椅结构125
4.3.9激光与光学设备的负刚度
减振器126
4.3.10三叶草圆顶形及贝氏蝶形弹簧
垫圈的负刚度行为127
4.3.11具有负刚度的汽车座椅悬置128
4.3.12剪刀式座椅减振器130
4.3.13欧拉梁型负刚度减振器130
4.3.14超低频欧拉压弯梁式减振器131
4.3.15准零刚度座椅悬置132
4.3.16NewDamp弹性减振器132
4.3.17斯图尔特平台133
4.4电磁式负刚度减振器结构137
4.4.1单自由度准零刚度磁悬浮主动
减振器137
4.4.2具有无限刚度的磁悬浮减振器138
4.4.3三自由度零揉度减振器139
4.4.4六自由度零揉度磁执行器139
4.4.5负刚度磁弹簧减振器单元140
4.4.6六自由度磁悬浮准零刚度
减振器141
4.5主动式负刚度减振器的结构144
4.5.1单调型144
4.5.2宽带扰动的主动控制145
4.6适应性可调制振动阻尼器147
4.6.1可调刚度梁型减振器147
4.6.2可调梁曲率的减振器147
4.6.3形状变化减振器147
4.6.4形状记忆合金型减振器147
4.6.5可调制流体填装梁减振器149
4.7零刚度重力补偿与平衡技术150
4.7.1被动式低重力模拟器150
4.7.2人体工学手臂中性支撑系统152
4.7.3手持录像稳定系统153
4.7.4手臂重力平衡矫形器155
4.7.5人腿重力平衡矫形器155
4.8减振器在飞机中的应用157
4.8.1硬装结构157
4.8.2软装结构157
4.8.3金属丝网悬置158
4.8.4流体弹性悬置158
4.8.5主动减振控制158
4.8.6可调制减振器159
4.8.7主动结构控制159
4.9减振技术在音视频设备中的应用160
4.9.1音响架与隔振垫160
4.9.2精密仪器台架的隔振161
4.10引力波探测激光干涉仪器的
减振163
4.10.1倒摆型减振器164
4.10.2主动控制166
4.10.3二维低频X型摆减振器167
4.10.4X型双摆悬挂系统168
4.10.5几何反弹簧过滤器169
4.11其他应用169
4.11.1船舶发动机悬置及其应用169
4.11.2高铁的减振170
4.11.3精密仪器的精密隔振系统171
4.11.4Minus K精密隔振器172
4.11.5热真空试验的隔振系统173
4.11.6原子力显微镜的隔振174
4.11.7光刻机的隔振174
4.11.8空调系统的空气压缩机的
减振175
参考文献175
第5章微穿孔板179
5.1问题的提出179
5.2理论基础179
5.2.1微穿孔板对平面波的吸声系数180
5.2.2微穿孔板的斜入射与随机入射的
吸声系数181
5.2.3双层微穿孔板结构的吸声系数181
5.3微穿孔板的设计、构造与安装183
5.3.1微穿孔板最大吸声系数与频率的
计算183
5.3.2微穿孔板的参数设计184
5.3.3微穿孔板安装注意事项184
5.3.4微穿孔板的应用优势184
5.4微穿孔板的其他形式185
5.4.1微穿孔板后接附蜂窝结构185
5.4.2多层微穿孔板结构185
5.4.3微穿孔板结构与透气性薄膜以及
空隙材料的组合186
5.4.4微穿孔板吸声器的空腔分割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微穿孔板的应用实例190
5.5.1微穿孔板在建筑上的应用191
5.5.2微穿孔板在餐厅的应用191
5.5.3微穿孔板在排练房与乐池的
应用191
5.5.4微穿孔板在高铁隧道口处的
应用192
5.5.5微穿孔板在演讲厅、会议室等
环境中的应用193
5.5.6微穿孔板在柴油发电机组中的
应用194
5.5.7微穿孔板在火箭整流罩中的
应用196
5.5.8微穿孔板在航空发动机中的
应用197
5.6微穿孔板的潜在应用198
5.6.1微穿孔板吸声器在空调与通风系统
管道上的应用198
5.6.2基于微穿孔管的新型发动机排气
消声器198
5.6.3微穿孔板用于草坪修剪设备的
静音200
5.6.4微穿孔板在空气喷嘴管道中作为
管道过滤器201
5.6.5微穿孔板作为声学窗202
5.6.6微穿孔膜在车辆声学包中的
应用203
5.6.7微穿孔板吸声器与亥姆霍兹
共振器的集成203
5.6.8微穿孔板吸声器在核磁共振
扫描机中的应用204
5.6.9微穿孔板吸声器在圆柱体中的
应用204
参考文献205
第6章施罗德扩散器208
6.1问题的提出208
6.1.1施罗德教授的发现209
6.1.2数学家的悖论与中国余数定理209
6.2理论基础210
6.2.1简约的优雅：二次剩余序列210
6.2.2二次剩余序列在扩散器设计中的
实施211
6.2.3最大长度序列212
6.2.4最大长度序列在扩散器设计中的
实施214
6.2.5施罗德扩散器声场的直观显示214
6.2.6二维施罗德扩散器215
6.3施罗德扩散器的其他形式216
6.3.1调制相位反射格栅扩散器217
6.3.2原生根序列扩散器217
6.3.3折叠井式施罗德扩散器219
6.3.4分形扩散器219
6.3.5二维二进制幅值扩散器222
6.3.6三进制序列扩散器226
6.4施罗德扩散器的优化227
6.4.1井深优化227
6.4.2基本形状优化228
6.5超级扩散器229
6.5.1超薄型超结构施罗德扩散器229
6.5.2超级施罗德扩散器230
6.5.3超薄平面施罗德扩散器231
6.5.4全息漩涡螺旋扩散器232
6.5.5二次剩余序列井深散射型微穿孔板
吸声器234
6.6施罗德扩散器的应用实例235
6.6.1施罗德扩散器在音乐厅中的
应用235
6.6.2施罗德扩散器在舞台中的应用236
6.6.3施罗德扩散器在小提琴练琴房中的
应用236
6.6.4施罗德扩散器在录音棚中的
应用238
6.7施罗德扩散器的商业化应用239
6.7.1施罗德扩散器商业化推动者
彼得·丹东尼奥博士239
6.7.2制作施罗德扩散器240
6.7.3制作二维二进制幅值扩散器241
6.7.4制作二维原生根施罗德扩散器241
6.7.5二维原生根施罗德扩散器的
应用242
6.7.6其他施罗德扩散器的制作243
6.8施罗德扩散器的潜在应用243
6.8.1超薄结构扩散器243
6.8.2高速公路及高铁声障244
6.8.3施罗德扩散器作为吸声器245
6.9旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家245
参考文献246
第7章仿生声学超材料249
7.1问题的提出249
7.1.1墨子的木鸢249
7.1.2达·芬奇的仿生飞行器249
7.1.3从仿生飞行到仿生安静飞行250
7.1.4猫头鹰捕捉猎物的声学原理251
7.2猫头鹰翅膀的声学特性252
7.2.1猫头鹰翅膀的形态学特征252
7.2.2猫头鹰翅膀前缘梳子状结构的
研究254
7.2.3猫头鹰翅膀后缘流苏状结构的
研究255
7.2.4猫头鹰翅膀柔软绒毛的研究257
7.2.5猫头鹰翅膀的空气动力学与声学
特性258
7.3安静飞机螺旋桨叶片生物仿生260
7.3.1受猫头鹰翅膀
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