学术前沿 | 梯度阻抗匹配复合材料的超宽带水下吸声单元

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-10-16 21:08

正文

我们开发了一种具有超宽带吸收的水声超材料吸收器，在1kHz−20kHz的频率范围内，大部分吸收系数超过0.9。这种性能是通过声波的局部捕获和有效的能量耗散来实现的，通过在精心设计的、阻抗匹配的复合材料中的局部共振来促进。吸收器设计的梯度结构允许减少84mm（1 kHz时为0.05λ）和可定制的长度，由单元的数量决定，每个单元的长度为15mm（1 kHz时为0.01λ）。这种不同的设计方法产生了一种紧凑尺寸的超宽带元吸收器，为水下吸收超材料的开发及其实际应用提供了一个很有前途的替代方案。

我们设计了一种超宽带水下超吸收器，采用梯度结构，由复合材料和不锈钢制成，以实现对从1 kHz到20 kHz的声波的接近完美的吸收（吸收系数高于0.9）。超吸收器的宽度仅为84mm（1 kHz时0.05λ）和265mm（1 kHz时0.17λ），以实现超宽带吸收。单个单元的厚度只有15mm（1 kHz时为0.01λ），以实现特定频率的吸收。理论模型与仿真和实验结果吻合。在充满水的阻抗管系统中进行的实验测量显示，平均吸收系数为0.847。进一步的分析表明，该元吸收器具有鲁棒性和潜力，不仅对静水压力不敏感，而且在厚度相对较小的吸收性能和带宽之间表现出良好的平衡。提出的超吸收器可以为对水下超材料的不同见解提供灵感，并导致更实用和高效的吸收技术和水下应用，如当目标界面具有特殊的非平面几何形状时，海洋的声学隐身领域和宽带内不同的水下吸收景观。

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