学术前沿 | 在穿孔调制声学黑洞结构中增强波阻尼和声吸收性能

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-11-24 21:10

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声学黑洞（SBH）效应在减速管道中可用于声波的调控和吸收。该现象依赖于两个基本的物理机制：波速降低和能量耗散。本研究表明，通过调节穿孔参数，可以在穿孔调制的声学黑洞（PMSBH）中精确平衡这两种物理过程。为了阐明慢波生成的机制以及穿孔参数的影响，建立了基于线性声波方程的Wentzel-Kramers-Brillouin（WKB）解的解析模型。结合瞬态有限元模拟，研究揭示了主要物理参数在调节声速和声吸收中的作用。研究发现，PMSBH的穿孔比率是影响慢声效应的主导因素，对于具有密集分段内环的PMSBH，最佳范围为10%以上。由于包含了穿孔边界，即使环数减少，只要穿孔比率在减少的变化范围内适当选择，显著的慢波效应仍然能够保持。在这两种情况下，所确定的穿孔比率远远超过了在缺乏慢波效应时微穿孔领域普遍采用的传统范围。此外，调节孔径尺寸可以进一步增强空气摩擦，从而改善声吸收。理论和数值结果经过实验验证，并展示了PMSBH的性能。本研究不仅提出了可调设计的概念，还为实现有效的吸声器提供了物理洞察和指导，帮助实现基于慢波原理和穿孔引起的声吸收的吸声效果。

在本研究中，探讨了一种穿孔调制的声学黑洞（PMSBH）减速结构，该结构为声学黑洞（SBH）设计引入了可调性。通过调整穿孔参数，可以平衡PMSBH中两个关键的物理现象——慢波效应和能量耗散，从而最终提高整体的声吸收性能。本文分别针对具有连续和离散阻抗变化的PMSBH结构，开发了两组WKB解，用于预测声波在其中的传播。通过解析方法和数值方法，研究了这些WKB解的适用范围，并通过与Mironov理想模型和有限元法（FEM）结果的比较验证了WKB解的有效性。

进一步通过建立的WKB解和有限元法结果，研究了穿孔比率和孔径对慢波效应的影响，并在后续章节中进行了实验验证。结果表明，穿孔比率对慢波现象的影响远大于孔径大小。适当的穿孔比率可以可靠地确保显著的慢波效应，即使在减少环数的情况下也能实现。此外，还探讨了这两个参数对声吸收性能的影响。两个参数都会影响声吸收性能。根据环数的不同，穿孔比率和孔径的最佳范围超出了在没有慢波效应时微穿孔（MPP）领域广泛采用的典型范围。穿孔比率确保了有效的慢波效应，而孔径大小则增强了能量耗散，二者结合起来能实现优异的声吸收效果。