每日新文 | 通过拓扑优化实现用于水下吸声的轻质耐压夹层超表面

VAOne声学仿真小本领 · 公众号 · · 2024-12-17 10:00

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文章简介

这篇文章讨论了一种新型的水下声学材料——轻质、耐压的夹层超表面，它通过拓扑优化技术实现了优异的水下声音吸收性能。

研究背景 ：水下声学材料在多个领域具有重要应用，包括海洋科学研究、水下交通工具的噪声降低和海洋环境保护。这些材料需要在水下环境中有效吸收声音，同时具备轻质和耐压的特性。
设计挑战 ：传统的水下声学材料在实现低频和宽带声吸收方面存在挑战，同时还需要抵抗水下高压环境的影响，这可能会改变材料的结构和性能。
研究方法 ：文章提出了一种夹层超表面设计，由两层橡胶层和中间的多孔结构层组成。通过拓扑优化，可以灵活设计多孔结构，以实现轻质、耐压和高效声吸收的目标。
拓扑优化框架 ：研究者开发了基于波和有限元方法（WFEM）的拓扑优化框架，直接基于实际配置设计多孔结构，不依赖于材料均质化，以优化弹性波在结构中的传播。
结果与讨论 ：通过拓扑优化得到的夹层超表面在数值计算和实验测试中显示出了低有效密度和优异的动态声学性能，以及静态耐压能力。文章还讨论了斜入射对声吸收性能的影响。

摘个要先：

在工程应用中，人们一直在追求具有轻质和耐压特性的低频和宽带水下吸声材料。然而，现有的水下减震器受到传统设计理念的限制，难以在这些要求之间取得平衡。值得注意的是，这些吸收材料的声学性能往往会随着静水压力的增加而大幅恶化。为了解决这一差距，这项工作提出了一种三明治超表面构型，并系统地进行拓扑优化，以实现特定轻量化和耐压约束下的极限吸收性能。夹层超表面由两层橡胶和一个中间的多孔结构组成，橡胶层用作能量耗散成分，多孔结构用作执行波操纵和耐压的核心。随后的数值模拟和实验测试证实，优化的超表面可以实现优异的耐压能力和卓越的声学性能：从 1 kHz 到 10 kHz 的平均吸收系数超过 0.9，即使在 3 MPa 的静水压力下，平均吸收系数的变化也仅为 2.2 %。提出了一种半解析方法来揭示高效吸声的关键在于优化的多孔结构操纵的强跨模态转换。横向模式的形成大大增强了橡胶消散弹性波的能力。该工作为水下工程应用中系统构建轻质耐压减震器提供了一种新颖的理论工具。

图1.声子夹层超表面的示意图。(a)附着在钢背衬上的声子夹层超表面在x方向上周期性延伸。来自水区的入射平面波以入射角0激发声子夹层超表面的下表面。(b)最小非重复部分的二维截面。沿v方向的实心材料分别是第一橡胶层、多孔结构、第二橡胶层和钢背衬。hr、ha、hr2和hs分别指第一橡胶层、多孔结构层、第二橡胶层和钢背层的厚度。a代表超表面的周期长度。