学术前沿 | 通过多阶共振拓宽吸声带宽

本文提出了一种利用带管束的穿孔板(PPTB)结构实现多阶共振的方法，以扩大吸声带宽，提高吸声性能。与以往类似的超材料不同，我们将PPTB的声学优势与盘绕腔相结合，实现了从低频到高频的有效吸声。基于耦合模理论，吸声结构的声学特性由能量损失因子和泄漏因子决定。为了揭示潜在的吸收机制，在COMSOL多物理场中进行了数值模拟，建立了有限元模型。对一种超材料的宽带吸收性能进行了理论和数值研究，并通过实验对模型进行了验证。本工作的主要成果如下:

1. 与没有卷绕腔的PPTB相比，带卷绕腔的PPTB显示出额外的高阶吸收峰。PPTB单元专门设计用于在低频保持有效的吸声，而卷曲的腔用于刺激高阶共振模式。此外，与亥姆霍兹谐振器(HR)和微穿孔面板(MPP)相比，PPTB结构可以通过调整嵌入管束来有效地优化声阻抗，从而获得理想的损耗因子与目标泄漏因子匹配，从而在宽频段内获得良好的吸收性能。

2. PPTB内部的声压分布和能量耗散揭示了其多阶共振机制。一阶峰的吸收能力主要依赖于管束内的粘性耗散和热耗散。另一方面，对于高阶峰，腔内的相位相干和多阶共振的贡献相对更占优势。

3. 分别确定了低频和高频范围内几何参数的选择原则。在低频范围内，通过选择适当的参数，可以同时获得所需的漏损因子和损耗因子。因此，具有卷绕腔的PPTB可以有效地吸收低频波，并产生高阶吸收峰。MPP在高频中表现出优异的单阶吸收性能，使其成为吸收高频声波的合适单元。

4. 为了演示，设计了一种厚度为9厘米的吸收材料。该材料可以表现出比耦合局部共振更多的共振模式，并在高频处增加峰值密度。因此，在300 - 3600hz范围内实现了无明显衰减的宽带近乎完美吸收。基于一阶峰和高阶峰之间的相互作用，该材料可以显著扩大对高频的吸收带宽，实现斜入射宽带吸声。