学术前沿 | 嵌入树形声学黑洞的超薄耐压结构，用于宽带低频水下吸声

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-28 21:22

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声学涂层是吸收探测声纳传入声音的主要技术手段。考虑到声纳技术的进步应对低频和水下工作环境，需要声学涂料在静水压力下提供有效的宽带低频吸声（SA）。然而，目前的水声涂料材料的低频宽带SA性能较差，特别是在静水压力下。在此，我们提出了一种超薄元涂层，其树形声学黑洞（ABH）单元嵌入弹性体基质中。每个树形ABH单元由作为散射体的多尺度ABH板、作为“树干”的中心支撑柱和作为“骨架”的框架组成。该设计结合了多尺度ABH板的丰富动力学特性、框架和立柱的抗压特性以及基体的阻尼特性，共同带来了优越的性能。利用单元丰富的局域耦合大振幅局域谐振以及强大的抗静压变形能力，在深亚波长尺度的多个超宽低频频段实现了高且准完美的SA在不同的静水压力下。值得注意的是，使用厚度为声波波长 2% 的元涂层在 500 Hz 下实现了准完美的 SA (>0.92)。实验还证明了准完美的 SA 在 1200–7500 Hz 范围内，持续到 1.0 MPa。在 4.5 MPa、3-10 kHz 范围内，SA 仍高于 0.6。针对静水压力下的SA模型，建立了基体的超弹性本构模型和受压动态力学参数。然后通过不同静水压力下的实验测试来验证数值结果。该设计具有高局部模态密度和耐静水压性能，代表了一种新型声学超材料，有望在水下应用广泛。

提出一种超薄声学元件涂层，以在高静水压力下实现宽带低频水下SA。该设计的结构由嵌入弹性涂层基体中的树形声学黑洞(ABH)单元组成。每个树形ABH单元由多尺度ABH板作为散射体、中心柱作为支撑和金属框架作为骨架组成。该设计结合了多尺度ABH板的丰富动态效应、压力抵抗力以及金属框架和支撑柱之间的耦合作用以及弹性基体的阻尼效应。总体而言，元件涂层单元既富含局部和耦合LR，又在静水压力下具有极高的抗变形能力。

在不同的静水压力下，在深亚波长尺度上实现了多个超宽低频带的高和准完美SA。值得注意的是，在500 Hz时实现了0.92以上的准完美SA（厚度为声学波长的2%）。在1200-7500 Hz范围内也实现了准完美SA（>0.92）的实验验证，在1.0 MPa时仍保持高水平。在4.5 MPa时，从3到10 kHz的SA通常高于0.6。建立了预测基体在水压作用下变形的超弹性本构行为模型，并通过测试基体在高压下的动态机械参数来预测SA预测。数值和实验结果一致，从而验证了在4.5 MPa以下不同水压下提出的设计方案的有效性。该设计为声学超材料设计开辟了新的途径，并有望在水下应用中得到广泛应用。

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