学术前沿 | 基于榫结构的蜂窝超材料的吸声性能

为了解决传统蜂窝夹层结构在衰减中低频声音方面的局限性，特别是在厚度和重量最小的结构中，本研究引入了一种结合传统榫榫接头的创新蜂窝声超材料。通过理论分析、经验验证和数值模拟，系统地研究了改进的蜂窝结构的吸声特性。我们的实验设置在所有试验中保持了一致的几何参数，并证明了改进蜂窝结构的共振频率相对降低了10 %。我们详细分析了微孔定位、榫头几何尺寸和微孔直径对声学性能的影响。值得注意的是，将榫从2 mm延长到6 mm导致共振频率降低15 %，而将微孔到榫的距离从0 mm增加到4 mm导致共振频率增加30 %。榫榫接头的集成显著提高了蜂窝面板的中低频吸声性能。这一改进是在保持低面板厚度和浅腔深度的结构优势，同时简化了微孔的处理。我们的发现阐明了一种很有前途的方法来增强轻质结构材料的声学性能，从而扩展其在噪声控制工程中的应用潜力。本研究不仅为声学超材料的设计和优化提供了一个新的视角，而且突出了将传统建筑技术与现代材料科学相结合，以增强噪声控制解决方案的潜力。

本综合性研究采用理论分析、数值模拟和实验方法来阐明榫卯蜂窝金属材料的声吸收特性受几何参数影响的情况，并与传统蜂窝结构进行了比较分析。研究结果表明，榫卯结构在中低频声吸收性能方面显著优于其传统对应物。我们的研究发现包括：

(1) 榫卯结构的声吸收系数的共振频率显著降低，记录在790赫兹以下，而具有相同几何参数的传统蜂窝结构的共振频率则超过880赫兹。这意味着榫卯结构的共振频率降低了约10%。

(2) 研究发现，榫卯结构中孔的位置对声吸收特性有重要影响。具体来说，将孔移至空腔中心会将共振频率提高30%以上，同时将峰值吸收系数降低4%以上。

(3) 与榫头长度相关的耗散分析表明，榫头长度为2毫米时，耗散可以在蜂窝腔更大的区域内进行。相反，当榫头长度为6毫米时，耗散主要发生在榫头内部，最高能量损失集中在榫头及其相关共振特征周围。

(4) 观察到榫头长度和宽度的变化对吸声器的声学性能有显著影响。榫头长度从2毫米增加到6毫米导致共振频率降低15%，而榫头宽度从2毫米增加到6毫米导致共振频率增加9%。

(5)直接比较后，榫眼在400-800Hz范围内，蜂窝结构的吸声能力明显增强，与传统蜂窝结构相比，峰值吸收系数的共振频率降低了21 %，半吸收带宽的中点频率降低了17 %。