学术前沿 | 用于增强消声器低频声音吸收的声子晶体设计

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-12-22 21:28

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为了增强膨胀室消声器的低频声音吸收能力，开发了一种新型的亥姆霍兹环声子晶体单元。这一创新设计将环形亥姆霍兹共振腔作为声子晶体散射体，周期性地布置在消声器的膨胀室内，从而在深亚波长尺度上实现增强的声音衰减。对声子晶体消声器的传输损失特性进行了深入研究，结果表明，在低频禁带内，声音吸收有显著增强。研究的一个关键方面是分析缺陷态对消声器传输损失的影响。引入缺陷态显著扩展了声音衰减带宽，有效弥补了禁带外消声器声音吸收性能的下降。与传统膨胀室消声器相比，所提出的声子晶体消声器在传输损失和气动性能方面都表现出了显著的改善。特别是，当处于缺陷态时，声音衰减得到了进一步增强。通过相应的实验研究，验证了声子晶体消声器在其指定禁带范围内的有效性。该研究为开发更高效的噪声控制解决方案提供了新的思路。

本研究设计了一种新型的类似亥姆霍兹环共振腔的声子晶体消声器，旨在通过数值模拟和实验测试验证其在特定频率范围内减少低频噪声的高效性。基于亥姆霍兹共振频率公式，设计了针对低频的声子晶体的基本结构参数。通过带隙结构计算，确定了声子晶体带隙的带宽以及起始频率和结束频率。然后，将声子晶体结构安装在消声器内，并使用有限元法（FEM）计算了其传输损失（TL）。结果表明，声子晶体消声器在360–720 Hz的倍频带内表现出强烈的声音衰减。研究了亥姆霍兹共振腔（HR）耦合的分析，发现串联连接增强了声子晶体消声器在低频倍频带（90–180 Hz和180–360 Hz）内的传输损失。缺陷态分析表明，适当的缺陷设计可以扩展声子晶体消声器的有效倍频带，这有效弥补了声子晶体消声器在其带隙外声音衰减能力不足的问题。流体动力学仿真表明，与传统膨胀室消声器相比，声子晶体消声器在相同入口速度下的压损较低。最后，通过传输损失实验验证了数值计算的准确性，以及声子晶体结构在增强消声器声音衰减能力方面的有效性。