MOF聲學超材料
關注創建者：牛到上天了 創建時間：2019-01-10
MOF聲學超材料的實例教程
導讀：
金屬-有機骨架材料 (MOF) 的低頻聲學特性可以通過阻抗管實驗測得。MOF超材料的低頻聲學衰減作用，可能是由于微孔框架結構內部對聲音進行多次反射，促進了聲音的消散和吸收。這可是MOF第一次被證明是聲學超材料。
阻抗管：用于測量吸聲材料的垂直入射吸聲系數的裝置
低頻：100-1250Hz
低頻噪聲的減弱是環境和建筑工程的目標。但是低頻的衰減在噪聲衰減里是最具挑戰性的，通常需要高質量和高厚度的屏障。在建筑物、汽車、飛機和航天器等的建造中，重量和/或燃料效率是需要考慮的問題，因此，使用輕質材料有效衰減低頻聲音是一直以來的需求。此外，具有獨特聲學特性的材料也是造影劑監測領域的關注點。
具有異常聲學特性的材料稱為聲學超材料。吸收性的聲學超材料由周期性結構組成，具有可調的聲學特性，在傳感、隱形、隔音和地震防護等方面都具有廣泛的應用。
將多孔顆粒用于墻板和其他建筑材料的噪聲衰減已受到密切關注，納米顆粒也成功應用于地下能量提取。受這兩者的啟發，我們可以想到，金屬-有機骨架 (MOF) 可能同樣具有潛在的聲學超材料特性，包括它的微孔結構、產生MOF納米顆粒的能力、可設計和調整的幾何框架和柔性。MOF的另一個優勢是它可以以不同的形式加入到消聲/監測體系中，例如噴霧劑、添加劑、離散納米粒子、納米流體注射劑等。
雖然MOF的機械性能和可變形行為已經開始被研究，并且已經在減震和機械能儲存方面應用。但在接下來這篇報道發表之前，這類材料還沒有被確定為聲學超材料，也沒有關于他們低頻聲學特性方面的評估。
ACS Appl. Mater.
展開 研究內容：
傳統的聲學吸收器被用于具有與工作波長相當的厚度的結構，這在低頻范圍的實際應用中造成了主要障礙。我們提出了一種基于超表面的完美吸收體，能夠在極低頻區域實現聲波的完全吸收。具有深亞波長厚度至特征尺寸k＝223的超表面由多孔板和螺旋共面氣室組成。基于完全耦合的聲學熱力學方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎物理和聲學性能，顯示出極好的一致性。
圖1.傳統微穿孔板與聲學超表面的結構示意圖
圖2.論文中阻抗分析和數值模擬的吸聲系數曲線
數值模擬：
在comsol中利用熱黏性聲學接口對聲學超材料的聲學特性進行仿真分析。建立的幾何模型如下所示。
圖3.幾何模型的構建
吸聲系數曲線的數值模擬值如下所示：
圖4.數值模擬中的吸聲系數
理論計算：
通過聲電類比法計算得到聲學超表面的吸聲系數，其理論計算如下：
首先由經典的微穿孔理論得到吸聲結構的聲阻抗和吸聲系數：
yc為環繞型腔體的等效聲阻抗：
在計算軟件中導入吸聲系數理論計算的公式，從而計算出吸聲系數曲線
吸聲系數曲線的理論計算值如下所示
圖5.理論計算得到的吸聲系數
綜上，理論計算和數值分析的吸聲系數曲線具有很好的一致性，同時與論文中的結果完全相同。
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展開 研究背景：
從聲學超材料出現到薄膜型和薄板型聲學超材料局域共振隔聲機理的廣泛研究，其負等效質量和負等效密度特性打破了傳統吸隔聲材料質量定律的限制，為低頻吸隔聲提供了新途徑。由吸聲系數理論模型可知，薄膜型結構的吸聲性能與振型模態、相對聲阻抗率有關。對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，探討振型模態與吸聲系數曲線的對應關系。
研究內容：
由吸聲系數理論模型可知，薄膜型結構的吸聲性能與振型模態、相對聲阻抗率有關，對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，探討振型模態與吸聲系數曲線的對應關系。
圖1.薄膜型結構
圖2.無中心質量塊薄膜型結構的固有模態分析
圖3. 含中心質量塊薄膜型結構的固有模態分析
數值模擬：
分別對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，預應力模態仿真選取的聚酰亞胺薄膜彈性模量為 2.35GPa，泊松比為 0.38，選取的結構鋼質量塊彈性模量為 200GPa，泊松比為 0.30。進行COMSOL 預應力模態仿真時，圓形薄膜結構采用膜單元(Membrane)，薄膜中心質量塊結構進行添加質量處理，除邊界條件的設置外，還需在薄膜表面施加初始面應力 200N/m。仿真分析的步驟如下所示。
（1）建立幾何模型
圖4.幾何模型的構建
（2）設置物理場
圖5.物理場的設置
（3）模態分析
無附加質量塊張緊圓膜結構和附加圓形質量塊薄膜型結構的前6階固有頻率和模態振型仿真結果如圖。可以看出在comsol中利用膜單元對薄膜型結構的固有模態分析結果與原文中對應的十分準確。
圖6. 復現無中心質量塊薄膜型結構的固有模態
圖7.
展開 據sciencedaily.com網站報道，美國波士頓大學工程學院教授Xin Zhang和機械工程學博士生Reza Ghaffarivardavagh在《物理評論B輯》（Physical Review B）雜志發文介紹了一種可以屏蔽噪音的新型聲學超材料。該材料經過“完美”的數學設計，具有環狀開放結構，可在切斷噪聲的同時保持空氣正常流動。聲學超材料經數學設計、3D打印成型。外圈內側，螺旋狀結構可以對聲音產生干擾作用，阻止其通過開放的環狀中心，同時又能保持空氣的流動。
Ghaffarivardavagh說：“目前使用的聲屏障主要是厚重的隔音壁，雖然它的確對噪音有阻隔作用，但當空氣流通變得不可或缺時，這種笨重的方案就不適用了。例如，堵住噴氣式發動機的排氣口，雖然噪音消除了，但是飛機只能呆在地面。因此地勤人員只能佩戴厚重的耳塞來免受噪音之苦。”
Ghaffarivardavagh和Zhang通過數學計算，找到了解決方案。他們對聲學超材料的尺寸和規格進行了計算，希望能找到一種開放式結構，既能干擾聲波傳輸，也不妨礙空氣流通。Zhang等介紹說，設計的基本前提是，這種超材料能夠將傳入的聲音送回聲源處。
根據計算結果，他們采用3D打印技術，用塑料制作了一個開放式的降噪結構并進行了室內實驗。Zhang等在PVC管兩端分別固定了揚聲器和聲學超材料。當他們按下播放鍵，揚聲器竟然“安靜”地啟動了。單憑人的聽覺，根本不會知道揚聲器正在發出刺耳的高音。論文作者之一、Zhang實驗室前成員Jacob Nikolajczyk說：“雖然我們一直能在電腦模型中看到類似結果，但實際情況還是讓我們大吃一驚。”
通過對比，研究人員發現聲學超材料幾乎可以阻隔94%的噪音。
展開 摘要：
我們提出了一種由Mie諧振器和亥姆霍茲諧振器陣列組成的復合聲學超材料。這樣的設計實現了低頻區域的寬帶聲衰減。這種寬帶隔音效果可以用傳遞矩陣法和集總元模型來解釋。傳輸損耗和透射率具有較強的魯棒性，并進行了數值和實驗測試。通過復合設計，利用深亞波長結構，我們成功地實現了寬帶低頻聲衰減，在1250hz頻率范圍內阻擋了90%以上的入射聲能。我們的工作提供了一個設計范例，通過它來實現超常的低頻機載聲消聲。
復合聲學超材料理論
通常，傳遞矩陣T0用于將給定結構的前(x=0)和后(x=d)表面的聲壓和質點速度聯系起來，如下所示：
其中P是聲壓，V是歸一化的聲質點速度。 在SMR單胞的情況下，聲學性能歸因于變面積管道和六個空間線圈元件的有效介質。 因此，將管道中SMR單胞的傳遞矩陣T0改寫為T0=Tf TsTr，其中Ts是SMR單胞的傳遞矩陣，Tf(Tr)是前（后）變面積管道的貢獻，由：
其中K0為空氣中聲波的波數，Lc=0.5H+0.95R(1-1.25√φ0)為前（后）變面積管道的有效長度，H為SMR晶胞的厚度，φ0為風管變面積比，φ0 = r2/ R2。
（a）復合聲學超材料及其組分示意圖。 內壁厚度hwall=1 mm，SMR晶胞厚度hSMR=10 mm,HR陣列厚度hHR=20 mm。 (b)外徑R=50毫米的SMR單胞的橫截面圖。 將圓周區劃分為6個側支空間卷取元結構單元，幾何參數為：空間卷曲通道寬度W=0.05R，結構框架厚度T=0.035R，卷曲數N=8。 內開區半徑r=R-(N+1)×t-N×w。 波路徑L被描繪為橙色線。一個SMR單胞的等效模型如右圖所示。
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薄膜型聲學超材料的隔聲原理主要涉及到聲波在材料中的傳播和反射。 當聲波進入薄膜型聲學超材料時，它們會遇到由多層薄膜構成的結構單元。由于這些單元的尺寸接近于聲波波長，聲波會產生與材料中的結構單元相互作用的效應，這種效應會產生反射、衍射和干涉等現象。 通過合理設計和優化材料結 構，薄膜型聲學超材料可以實現對特定頻率范圍內聲波的反射和吸收，從而達到隔聲的效果。具體來說，當聲波遇到薄膜型聲學超材料時
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研究內容：
傳統的聲學吸收器被用于具有與工作波長相當的厚度的結構，這在低頻范圍的實際應用中造成了主要障礙。我們提出了一種基于超表面的完美吸收體，能夠在極低頻區域實現聲波的完全吸收。具有深亞波長厚度至特征尺寸k＝223的超表面由多孔板和螺旋共面氣室組成。基于完全耦合的聲學熱力學方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎物理和聲學性能，顯示出極好的一致性。
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研究內容：
由吸聲系數理論模型可知
摘要：
我們提出了一種由Mie諧振器和亥姆霍茲諧振器陣列組成的復合聲學超材料。這樣的設計實現了低頻區域的寬帶聲衰減。這種寬帶隔音效果可以用傳遞矩陣法和集總元模型來解釋。傳輸損耗和透射率具有較強的魯棒性，并進行了數值和實驗測試。通過復合設計，利用深亞波長結構，我們成功地實現了寬帶低頻聲衰減，在1250hz頻率范圍內阻擋了90%以上的入射聲能。我們的工作提供了一個設計范例，通過它來實現超常的低頻機載聲消聲
摘要：
降噪在許多工程應用中至關重要。實現降噪的一種方法是使用聲學超材料。 然而，傳統聲學超材料中，低頻降噪方面一直存在頻段固定、頻帶狹窄的問題。本研究將手風琴折紙作為側腔引入亥姆霍茲諧振腔，開發了一種具有可調諧和寬帶消聲能力的新型折紙聲學超材料(OBAM)。 本文通過理論、數值和實驗的方法對OBAM的聲衰減特性進行了廣泛的研究，并用傳輸損耗(TL)來量化OBAM
研究背景：
隨著社會的進步和制造業不斷發展，各種類型的噪聲對周邊的人類生活帶來不可逆轉的破壞。尤其是低頻噪聲（聲波頻率低于 1000Hz），據有關低頻噪聲煩惱度研究表明，人類長期生活在低頻聲波環境周圍受噪聲干擾，會造成惡心、耳鳴、視覺模糊等諸多身體不良反應。但是目前對低頻噪聲尚不能有效控制。
研究內容：
基于目前學者所設計的超材料結構設計了一種薄膜型聲學超材料的單元模型，支撐框架
據sciencedaily.com網站報道，美國波士頓大學工程學院教授Xin Zhang和機械工程學博士生Reza Ghaffarivardavagh在《物理評論B輯》（Physical Review B）雜志發文介紹了一種可以屏蔽噪音的新型聲學超材料。該材料經過“完美”的數學設計，具有環狀開放結構，可在切斷噪聲的同時保持空氣正常流動。聲學超材料經數學設計、3D打印成型。外圈內側，螺旋狀結構可以對聲音產生干擾作用
這是基于MOF的低頻聲學超材料的第一次報道。
在這篇文章里，作者Quin R. S.
