学术前沿 | 利用通风式超材料窗实现非对称声学吸声

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-16 09:00

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具有通风功能的隔音窗可以在保持室内安静的同时保证空气流通。一些特定的场景，如音乐剧院、家庭影院和体育馆，对同时能够抑制室外噪音和创造室内声音回响的窗户有独特的需求。因此，有必要建造一个具有出色的通风能力和非对称吸声行为的声学窗系统。在这项工作中，我们提出了一种由具有双端口和空间旋转对称的环形螺旋结构（ACS）组成的非厄米声学系统设计的元窗。通过调整两个内部管道的长度，ACS可以在例外点（EP）工作并实现极其非对称的吸声。此外，ACS的长度和宽度仅为工作波长的1/28.8和1/32.2，具有深亚波长尺度和紧凑的结构优势。同时，由8个ACS组成的元窗还可以进一步提高通风率。测量的风速比大于0.59，前向和后向吸收率分别为0.99和0.08。此外，我们进一步验证，由8个具有不同参数的ACS级联形成的元窗口可以在408赫兹至572赫兹的宽带范围内工作。本文提出的超材料窗在通风性能、非对称吸收能力和结构尺度之间实现了平衡。我们的工作有助于建筑声学领域噪声控制的发展和应用。

在这项研究中，我们利用螺旋结构构建了一个具有双端口的非厄米声学系统，该系统可以通过仅调整每个端口的管道直径长度来在EP上工作。利用这种结构，我们进一步开发了一种能够实现非对称声学吸收的超材料窗。这种声学窗口在设计过程中考虑了非对称吸收率、通风效率和结构紧凑性等因素，从而实现了所需的功能性，无需外部增益，从而消除了复杂的电路设计。同时，这项工作在非对称吸收结构的框架内开创了通风能力，并通过考虑非对称吸收率、通风效率和结构紧凑性等因素，设计出了具有卓越综合性能的元窗口。具体来说，ACS的长度和宽度分别仅为谐振波长的1/28.8和1/32.2，非对称吸收比高达52.1。元窗口在谐振频率下保持12.4的非对称吸收率和0.59的空气流速比。此外，通过修改内部结构参数，可以灵活地调节谐振频率。当然，根据不同的使用条件，还可以进行进一步的调整，例如在绕线腔中增加绕线圈数以调节频率，或者通过改变外部尺寸来适应不同的应用环境。此外，我们进一步验证了由8个具有不同参数的ACS级联的元窗口可以在408赫兹至572赫兹的宽带范围内工作。总的来说，这项工作推动了金属表面技术的发展，制造的设备在音乐厅、剧院、音乐厅等相关场所的应用中具有潜在的前景。

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