学术前沿 | 通过混合穿孔半球壳和膜型声学超材料衰减低频噪声

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-20 22:19

正文

我们提出了一种新型混合声学超材料，可以实现 452 Hz 以下的宽带隔音，并在 864 Hz 下实现近乎完美的吸声。超结构是使用增材制造技术制造的。使用有限元方法模拟来研究所制造的超材料的声学特性。使用电声类比构建等效电路来评估吸声系数。这种超结构的独特设计拥有两个谐振频率。由于频率低于弹性膜截止频率的有效负密度，发现低频隔音。相反，负有效体积模量是宽带吸声背后的原因。通过实验验证了理论和仿真结果。进行的实验表明，在 50 至 1600 Hz 范围内，总体平均声音传输损失为 26.31 dB，在低频区域（<400 Hz）为 24.72 dB。此外，超过 69% 的声音强度在 500-1000 Hz 频率范围内被吸收。设计的超结构在 452 Hz 以下表现出宽带有效负密度，在 864 至 1220 Hz 范围内表现出有效负体积模量。该设计指定样品厚度为 3.8 cm，对应于大约 λ/10 的亚波长厚度。因此，所开发的超结构可用于航空航天和汽车工业以及室内声学应用中的低频隔音和吸声。

本研究提出了一种新型设计，即由带有六边形孔的穿孔半球形壳体和柔性腈橡胶膜组成的混合超结构，用于在低至中频范围内实现隔音和吸音。该超结构通过熔融沉积成型工艺成功制造。开发了理论和数值模型来评估声学性能，并通过实验研究进一步验证。所制备的混合超结构在864 Hz频率下提供了近乎完美的吸声性能，并在低频范围内提供了宽带声学隔离。该超结构的吸声性能优于简单的膜共振器（由深腔支撑的膜），FEM模拟支持这一发现。在整个研究频率范围内，识别出有效负密度（<452 Hz）和有效负刚度（864-1220 Hz）等宽带等效声学特性，并根据频率确定了特定区域，如SNR（单负区域）和DPR（双正区域），并绘制了这些区域的图。该模型是基于电声类比原理开发的，可以在超出本研究范围的各种腔体中快速评估其声吸收系数。此外，3D打印技术的进步可以在制造声学超材料时帮助解决一些问题，例如选择合适的材料、管理成本以及确保结构坚固且具有正确的形状。