学术前沿 | 基于分层螺旋通道结构的超薄低频宽带吸声器

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-11-27 09:31

正文

为了提高和扩展超材料在低频和中频范围内的声波吸收性能，本文提出了一种具有深亚波长特性的分层螺旋通道复合结构（LCCS）。该结构通过连接每一层中的赫尔姆霍兹共振器通道，纵向延长声波传播路径，实现了耦合腔体的多级共振，从而导致声能的相消，减少了声波反射和散射，并增强了吸声性能。通过建立理论声吸收模型和超材料的有限元仿真，揭示了其吸声机制。采用单变量法研究了改变结构参数对声吸收效果的影响，结果显示该结构在目标频率范围内具有良好的可调性，并获得了四种具有不同吸声频率峰值的基本单元LCCS。此外，通过将这些单元并联连接，设计了一种具有低频宽带声吸收性能的多单元耦合结构，实现了在370–1400 Hz范围内的大带宽连续高效吸声，且平均峰值声吸收率超过0.7。该结构通过3D打印组装，并通过阻抗管法测试验证了仿真结果的准确性。本研究为制造轻质、低频宽带声学吸声超材料提供了一种实用的方法。

在本文中，设计了一种分层螺旋通道结构（LCCS），这是一种超薄声学结构（厚度为25毫米），该结构不仅易于制造且性能稳定，同时保持了优秀的外观几何形状、性能峰值吸收率和吸收带宽，从而实现了低频和中频设计，适用于实际的噪声控制应用。通过改变结构的几何形状并调整每个吸收带的范围，能够在370–1400 Hz范围内实现良好的吸收性能，带宽为1030 Hz。此外，通过理论模型与有限元仿真方法相结合，并使用3D打印制作原型进行测试，巧妙地展示了LCCS的有效性和实用性。相关研究如下所述：

(1) 通过梯度尺寸设计方法，合理地将传统的螺旋通道结构进行串联和并联组合，使得该结构在低频和中频范围内实现了超宽带吸收，并且具有超薄的尺寸（25毫米）。

(2) 通过建立LCCS的理论声吸收模型，并结合COMSOL有限元仿真方法，推导出LCCS的声吸收性能曲线，同时根据相对声压图、声能密度图和热粘性损失图，研究了该结构的声吸收机制。采用单变量方法控制LCCS参数变化对整体结构声吸收性能的影响。

(3) 通过3D打印制作LCCS原型，并使用SW9118方形阻抗管测量了各个原型的声吸收系数。测试结果表明，该结构在370–1400 Hz范围内实现了声波吸收，带宽为Δf = 1030 Hz，且在25毫米厚度下，声吸收系数α > 0.5。该设计方法为轻质、超薄宽带声学结构的设计提供了新的思路，主要应用于具有严格厚度限制和强烈声学性能要求的精密设备中。