每日新文 | 利用嵌入颈和微孔并联的混合谐振器进行宽带吸声

VAOne声学仿真小本领 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-11-01 09:00

正文

文章简介

这篇文章介绍了一种新型的声学超表面（acoustic metasurface），它由赫姆霍兹共振器（Helmholtz resonators）和微孔板（micro-perforations）耦合组成，旨在实现宽带宽的声吸收。以下是文章的主要内容概述：

提出一种声学超表面，通过赫姆霍兹共振器与微孔板的耦合来实现完美的声吸收和低品质因数（Q-factor）。

单个单元格内嵌颈和微孔板的并行排列，这种几何配置有助于产生混合共振，从而在目标频率实现完美吸收。

提出了一个理论模型来描述共振器的频率依赖的有效阻抗，帮助设计阻抗匹配和确定所需的几何参数。

使用三维打印技术制造的单元格在目标频率480Hz处验证了超表面的效果。

通过构建包含多个共振器的超表面（supercells）来扩展吸收带宽，实现了在亚波长厚度λ/12下超过0.9的吸收系数，覆盖了2/3个八度音阶范围（472-739Hz）。

这篇文章展示了如何通过创新的设计和理论模型，结合实验验证和机器学习优化，开发出新型高效的声学超表面，以解决传统声学材料在低频吸收和空间效率方面的限制。

摘个要先：

这项研究提出了一种由赫姆霍兹共振器与微孔板耦合组成的声学超表面，以实现低品质因数（Q-factor）下的完美声吸收。超表面的关键特点是单个单元格内嵌颈和微孔板的并行排列。这种几何配置有助于产生混合共振，从而在目标频率实现完美吸收，其中超表面尺寸显著小于相应波长。为了指导设计选择，引入了一个理论模型来概述共振器的频率依赖有效阻抗，从而帮助确定与周围空气阻抗匹配所需的几何参数。使用三维打印技术制造的单元格的实验验证了在480赫兹目标频率下超表面的效果。探索了包含多个共振器的超胞以扩展吸收带宽，并在亚波长厚度λ/12的超单元中实现了超过0.9的吸收系数，覆盖了2/3个八度音阶范围（472–739Hz）。应用了基于人工神经网络的机器学习算法来进一步优化设计。使用理论模型作为基础，这些技术有助于识别最优的超表面设计，实现了在八度音阶范围内（380–790赫兹）90%的吸收带，厚度为λ/15。本文介绍的超表面为传统吸声材料提供了空间效率高的替代品，并有望应用于降噪和建筑声学设计。

(a)由前板、颈部和空腔组成的 HvbR的几何结构。前板厚度为 tfp，包含半径为 rp、周期间隔为 dp 的 np 个微孔。颈部半径为 rn，长度为In，空腔侧边长度为a，深度为b。(b)三个组件的几何结构。颈部嵌入空腔中，并与带有微孔的前板平行放置。声波以振幅 pi垂直入射到前板上。(c)使用传递矩阵法进行理论分析的单个HybR的 2D 示意图。在这里，侧腔包括 tp≤x 。