研究背景：

由于傳統(tǒng)材料的能量耗散較弱，低頻吸聲一直是研究人員面臨的一個具有挑戰(zhàn)性的課題。近年來，聲學超材料發(fā)展迅速，具有前所未有的優(yōu)異低頻性能。已經設計了一系列亞波長厚度的超材料，以實現對低頻聲音的100%吸收。例如，由彈性膜和剛性盤組成的膜型超材料可以吸收某些頻率下幾乎所有的入射聲能，其厚度甚至比峰值吸收波長小兩個數量級。然而，由于薄膜柔軟，它很容易受到機械損傷。卷曲空間超材料是另一種重要的聲學超材料，它可以通過增加聲路來實現極端的吸聲性能。然而，由于諧振特性，大多數超材料只能在窄頻帶內獲得良好的吸收性能，這限制了實際應用。

研究內容：

我們提出了一種具有多級吸聲的薄多單元超表面的理論和實驗實現，該超表面在450 Hz–1360 Hz的寬帶范圍內表現出連續(xù)的近乎完美的吸收光譜。超表面單元是穿孔復合亥姆霍茲諧振器（PCHR），其通過將一個或多個帶有小孔的分離板插入亥姆霍茨諧振器（HR）的內部來構造。可以實現多階吸聲機制，使得在原始吸收峰值和結構尺寸不變的情況下，通過PCHR單元在更高的頻率下獲得多個接近完美的峰值。

圖1.PCHR裝置的三維視圖及xy平面截面圖

圖2.二階PCHR單元（藍色）和原始HR（紅色）的吸聲系數

數值模擬：

為了驗證這一理論模型，使用商業(yè)軟件COMSOL Multiphysics開發(fā)了一個數值模擬模型。由于粘性摩擦和熱傳導對聲能量耗散有很大影響，本模型采用壓力聲學-熱黏性聲學相互作用模塊。

（1）建立幾何模型

圖3.幾何模型的構建

（2）設置物理場

圖4.物理場的設置

（3）吸聲系數計算

圖5顯示了PCHR仿真復現的吸聲系數，數值模型計算的吸聲系數與原文中結果相比顯示出了良好的一致性。PCHR單元獲得兩個接近完美的吸收峰f1? = 385Hz和f2? = 1000Hz，這是由二階吸收機制產生的。該結構的總厚度為17 mm，揭示了在深亞波長范圍內的優(yōu)異吸收能力。

圖5.PCHR吸聲系數的仿真復現

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