学术前沿 | 基于嵌套谐振器和协同耦合弱谐振的低频宽带声学超材料吸波体

在本研究中，基于低频宽带吸声结构的两种设计方法，我们首先介绍了基于典型NEHR的NNEHR，然后使用NNEHR组成金属表面以实现低频宽带吸声。采用传输矩阵法建立了NNEHR的声吸收系数理论模型，数值仿真验证了该模型的准确性。与NEHR相比，NNEHR不仅产生了两个吸收峰，而且降低了第一个吸收峰的位置并增加了吸收系数，在紧凑的空间中显示出更高的吸声潜力。与CNEHR相比，嵌套设计允许两个腔体之间的比例更灵活地划分，避免了隔板壁和颈部之间的几何干扰。深入研究了嵌套腔体对吸声性能的影响，瞬态速度场和热黏性能量耗散密度表明，NNEHR的声能损失主要集中在颈部及其周围区域。参数研究表明，其吸收系数具有良好的可调节性。基于此，利用遗传算法对两组NNEHR金属超表面进行了优化。优化后的结构在250-550 Hz和400-1000 Hz的范围内实现了平均吸收系数为0.831和0.913，厚度仅为50 mm，展现出亚波长、低频宽带声吸收特性。复杂的频率平面和构成单元的吸收系数分布揭示了金属超表面高效声吸收源于协同耦合的弱共振。过阻尼特性确保了在最小厚度下实现最优结构。提出了表面导纳与总入射面积的比值，以方便理解弱共振耦合机制。结果表明，弱共振耦合在多单元设计中有显著的优势和重要性，是实现低频宽带亚波长声吸收结构的关键方法。本研究的设计频率带主要集中在低频范围内，因此在金属超表面的吸收带内，只有构成单元的第一吸收峰有效。为了展示多自由度单元在宽带设计中的优势，设计了一个额外的金属超表面，在500-2000 Hz的频段内实现了0.885的声吸收系数。通过略微减小目标带宽或合理设计目标函数和参数范围，预计该结构可以实现更高的吸收系数。