学术前沿 | 一种用于低频恒定近乎完美声吸收并具有大变形的混合声学超材料

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-12-16 21:12

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腔体吸声材料不可避免地会受到外载荷作用下结构变形的严重影响，一旦制造完成，就无法实现吸声频率的动态可调性。在这项工作中，提出了一种用于低频恒定吸声的新型可压缩混合超材料，它巧妙地结合了折纸风格的 V 形和螺旋结构的特点，集成了具有两个加长颈部的亥姆霍兹谐振器和一个微孔面板谐振器。超材料采用 3D 打印技术制造。实验和分析结果表明，无论吸收体如何变形，近乎完美的吸声都始终保持在 315 Hz，而第二个吸收峰可以在 509 Hz 到 682 Hz 之间调谐，压缩应变范围为 0 % 至 31.3 %。该减振器在变形前后在高达 60° 的斜入射角下也表现出优异的吸收能力。此外，通过采用耦合单元策略，可以拓宽低频吸收带宽，同时在结构变形期间保持 316–391 Hz 范围内的稳定性。这种设计策略为实现自适应吸声和多功能超材料提供了一种有前途的方法，为可调噪声控制应用开辟了新的可能性

在本研究中，我们开发了一种用于在外部负载下保持恒定低频声吸收的声学超材料，结合了V形结构和螺旋扩展颈部，并通过3D打印技术实现。该超材料由一个上面有孔的面板、两个螺旋颈、V形结构、中孔面板和一个矩形腔体组成。在特定参数下，吸声器在315 Hz和509 Hz的两个吸收峰处表现出优异的声吸收系数，超过0.95，其厚度为最小谐振频率的1/28.4波长。第一个吸收峰对应于由螺旋颈和矩形腔体引起的谐振频率；第二个吸收峰则由由V形结构和两个面板组成的谐振器产生。由于螺旋和V形结构的可压缩性，吸声器的第一个吸收频率在变形过程中保持几乎完美的恒定吸收，而第二个吸收频率可以在509 Hz到681 Hz之间动态调整，变化幅度为33.8%。此外，吸声器在斜入射下也表现出出色的吸收能力，无论是在变形前还是变形后，都能有效吸收扩散声场。因此，它适用于吸收扩散声场。通过改变吸声器的结构参数，如上面和中孔面板的厚度以及螺旋颈的半径，可以调整两个吸收频率，从而缓解特定频率的噪声。为了实现宽带吸收，可以将两个吸声单元组合在一起，分别将两个吸收带扩展最大78%和96%，相比单个单元。