学术前沿 | 宽带吸声的逆设计声学超表面

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-10-26 21:16

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声学超表面由于其优异的声学性能和亚波长特性而被广泛应用于噪声衰减。本文介绍了一种针对宽带吸声超表面的拓扑优化反设计方法，旨在在宽频谱中实现高效的吸声性能。通过将遗传算法与有限元方法相结合，在吸收频率范围和吸收系数等目标的驱动下，我们可以超越人工设计的限制，充分利用结构的设计潜力。此外，通过还通过有限元模拟和实验验证，研究了吸声机制和热粘耗散。研究结果显示，所提出的宽带吸音超表面在指定的频率范围内表现出良好的吸声能力，平均吸声系数超过85%。这些发现为推进宽带吸声超表面的研究和实际应用提供了新的前景和方法。

本文利用一种基于遗传算法的拓扑优化方法对宽带吸声超表面进行反设计，研究了它们的宽带吸声特性。这种设计方法定制了适应度函数和各种约束，以设计不同频率范围的吸音超表面。通过对基于热粘性理论的吸声机理的分析，我们成功地设计了多个二维和三维宽带吸声超表面，并计算了其在不同频率范围内的吸声系数，对其吸声机理进行了全面的分析。在所考虑的频率范围内，这些超表面表现出连续有效的吸声能力，平均吸声系数超过85%。仿真结果有效地说明了这些优化后的超表面的宽带吸声特性，并通过基于阻抗管的实验验证进一步验证了它们的宽带吸声特性。

此外，遗传算法固有的随机性为基于拓扑优化的宽带吸音超表面的逆设计提供了无限的可能性。本研究增强了我们对将优化算法应用于所需频率范围内的吸音超表面反设计的理解，并为设计宽带吸音新材料提供了见解，从而为机械工程等领域的噪声缓解开辟了新的途径