学术前沿 | 利用具有负有效参数的超材料实现双声能的控制

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-04-20 21:48

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本研究通过声学超材料对声能进行综合控制。单位单元由主波导周期性地加载迷宫管组成，其中可能具有不同数量的缠绕通道。理论方法采用四极转移矩阵，考虑到粘性热效应来探索超材料的行为。此外，在阻抗管中对入射波进行了实验测试。反射问题的结果表明，只有在带隙区域内才存在有效的声能控制（在520 Hz时有效控制率达到85%以上，在1287 Hz时达到99%以上），并且可以通过增加结构的周期性来积累吸收峰值。另一方面，在传输问题中，获得了高的声传输损失（在750 Hz时为70分贝，在465 Hz时为30分贝）。这一结果主要是由于带隙特性，因为传输系数的行为在结构中强烈归因于宽禁带属性。因此，所提出的超材料可以在宽频域操纵声波，并实现宽带和低频声音隔离。从实验反射和传输系数中提取参数的方法用于获得结构的有效参数。在特定频率下有效体弹性和有效密度表现为负值，从而更好地理解了超材料的物理机制。最后，这项工作通过周期性结构推动了声能控制和操纵领域的进步，并理解了该结构所揭示的双重属性。

本文介绍了一种通过声超材料控制声能的双能力研究。实验结果与理论模型一致，表明在反射和声音传输问题中有效地控制声音能量。在分析方法中，使用了四极转移矩阵，充分考虑了热粘性效应。总之，声超材料的主要特性描述如下：

1) 声音传输损耗的高数值主要归因于结构中的带隙特性。并且，允许理解这些带隙的相位速度行为；

2) 吸声峰值只能存在于带隙之外，并且通过增加周期性单元的数量，它们的积累是可能的。有效声阻抗的行为表明，吸声有助于声音传输损耗；

3) 所提出的声学超材料具有操纵声音传输的能力，这主要是由于带隙宽广。这种特性可用于声隐身和降噪等应用。

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