聲學(xué)超材料的案例
科學(xué)家研發(fā)出新型聲學(xué)超材料
據(jù)sciencedaily.com網(wǎng)站報(bào)道，美國(guó)波士頓大學(xué)工程學(xué)院教授Xin Zhang和機(jī)械工程學(xué)博士生Reza Ghaffarivardavagh在《物理評(píng)論B輯》（Physical Review B）雜志發(fā)文介紹了一種可以屏蔽噪音的新型聲學(xué)超材料。該材料經(jīng)過(guò)“完美”的數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)，具有環(huán)狀開(kāi)放結(jié)構(gòu)，可在切斷噪聲的同時(shí)保持空氣正常流動(dòng)。聲學(xué)超材料經(jīng)數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)、3D打印成型。外圈內(nèi)側(cè)，螺旋狀結(jié)構(gòu)可以對(duì)聲音產(chǎn)生干擾作用，阻止其通過(guò)開(kāi)放的環(huán)狀中心，同時(shí)又能保持空氣的流動(dòng)。
Ghaffarivardavagh說(shuō)：“目前使用的聲屏障主要是厚重的隔音壁，雖然它的確對(duì)噪音有阻隔作用，但當(dāng)空氣流通變得不可或缺時(shí)，這種笨重的方案就不適用了。例如，堵住噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口，雖然噪音消除了，但是飛機(jī)只能呆在地面。因此地勤人員只能佩戴厚重的耳塞來(lái)免受噪音之苦。”
Ghaffarivardavagh和Zhang通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，找到了解決方案。他們對(duì)聲學(xué)超材料的尺寸和規(guī)格進(jìn)行了計(jì)算，希望能找到一種開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，既能干擾聲波傳輸，也不妨礙空氣流通。Zhang等介紹說(shuō)，設(shè)計(jì)的基本前提是，這種超材料能夠?qū)魅氲穆曇羲突芈曉刺帯?根據(jù)計(jì)算結(jié)果，他們采用3D打印技術(shù)，用塑料制作了一個(gè)開(kāi)放式的降噪結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。Zhang等在PVC管兩端分別固定了揚(yáng)聲器和聲學(xué)超材料。當(dāng)他們按下播放鍵，揚(yáng)聲器竟然“安靜”地啟動(dòng)了。單憑人的聽(tīng)覺(jué)，根本不會(huì)知道揚(yáng)聲器正在發(fā)出刺耳的高音。論文作者之一、Zhang實(shí)驗(yàn)室前成員Jacob Nikolajczyk說(shuō)：“雖然我們一直能在電腦模型中看到類似結(jié)果，但實(shí)際情況還是讓我們大吃一驚。”
通過(guò)對(duì)比，研究人員發(fā)現(xiàn)聲學(xué)超材料幾乎可以阻隔94%的噪音。
展開(kāi) 微孔和柔性的MOF聲學(xué)超材料
導(dǎo)讀：
金屬-有機(jī)骨架材料 (MOF) 的低頻聲學(xué)特性可以通過(guò)阻抗管實(shí)驗(yàn)測(cè)得。MOF超材料的低頻聲學(xué)衰減作用，可能是由于微孔框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)聲音進(jìn)行多次反射，促進(jìn)了聲音的消散和吸收。這可是MOF第一次被證明是聲學(xué)超材料。
阻抗管：用于測(cè)量吸聲材料的垂直入射吸聲系數(shù)的裝置
低頻：100-1250Hz
低頻噪聲的減弱是環(huán)境和建筑工程的目標(biāo)。但是低頻的衰減在噪聲衰減里是最具挑戰(zhàn)性的，通常需要高質(zhì)量和高厚度的屏障。在建筑物、汽車、飛機(jī)和航天器等的建造中，重量和/或燃料效率是需要考慮的問(wèn)題，因此，使用輕質(zhì)材料有效衰減低頻聲音是一直以來(lái)的需求。此外，具有獨(dú)特聲學(xué)特性的材料也是造影劑監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)。
具有異常聲學(xué)特性的材料稱為聲學(xué)超材料。吸收性的聲學(xué)超材料由周期性結(jié)構(gòu)組成，具有可調(diào)的聲學(xué)特性，在傳感、隱形、隔音和地震防護(hù)等方面都具有廣泛的應(yīng)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(guān)注，納米顆粒也成功應(yīng)用于地下能量提取。受這兩者的啟發(fā)，我們可以想到，金屬-有機(jī)骨架 (MOF) 可能同樣具有潛在的聲學(xué)超材料特性，包括它的微孔結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生MOF納米顆粒的能力、可設(shè)計(jì)和調(diào)整的幾何框架和柔性。MOF的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它可以以不同的形式加入到消聲/監(jiān)測(cè)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(jī)械性能和可變形行為已經(jīng)開(kāi)始被研究，并且已經(jīng)在減震和機(jī)械能儲(chǔ)存方面應(yīng)用。但在接下來(lái)這篇報(bào)道發(fā)表之前，這類材料還沒(méi)有被確定為聲學(xué)超材料，也沒(méi)有關(guān)于他們低頻聲學(xué)特性方面的評(píng)估。
ACS Appl. Mater.
展開(kāi) Comsol 薄膜型聲學(xué)超材料隔聲性能（嵌入質(zhì)量塊）
薄膜型聲學(xué)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(dāng)聲波進(jìn)入薄膜型聲學(xué)超材料時(shí)，它們會(huì)遇到由多層薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元。由于這些單元的尺寸接近于聲波波長(zhǎng)，聲波會(huì)產(chǎn)生與材料中的結(jié)構(gòu)單元相互作用的效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生反射、衍射和干涉等現(xiàn)象。 通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化材料結(jié) 構(gòu)，薄膜型聲學(xué)超材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率范圍內(nèi)聲波的反射和吸收，從而達(dá)到隔聲的效果。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)聲波遇到薄膜型聲學(xué)超材料時(shí)，一部分聲波會(huì)被反射回去，另一部分聲波則會(huì)被吸收或繼續(xù)穿透材料，但其強(qiáng)度會(huì)受到一定程度的衰減。通過(guò)層層反射和吸收，材料可以將聲波的傳播和干擾效應(yīng)降到最小，從而實(shí)現(xiàn)隔聲的目的。
薄膜型聲學(xué)超材料的隔聲效果受到材料結(jié)構(gòu)、厚度、孔徑大小以及聲波入射角度等因素的影響，因此需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，才能達(dá)到最佳的隔聲效果。
一、搭建模型
中間位置為薄膜包覆的質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)
二、網(wǎng)格劃分
應(yīng)力分布
傳遞損失曲線
透射系數(shù)曲線
在隔聲谷位置的透射系數(shù)很高。
有需要源文件和講解視頻的可以與我們聯(lián)系，優(yōu)惠不斷；
為方便交流學(xué)習(xí)，大家如果有好的案例可以提供給我們，我們支付費(fèi)用，或者交換同等難度案例；
展開(kāi) 基于Comsol進(jìn)行薄膜型聲學(xué)超材料的低頻降噪仿真分析
研究?jī)?nèi)容：
基于目前學(xué)者所設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種薄膜型聲學(xué)超材料的單元模型，支撐框架、彈性薄膜和空心質(zhì)量塊。支撐框架是固定并張緊薄膜類似彈簧的作用。
圖1.薄膜型聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)路線：
在comsol中對(duì)薄膜聲學(xué)超材料低頻降噪進(jìn)行仿真分析。
1.添加固體力學(xué)和壓力聲學(xué)多物理場(chǎng)耦合：
圖2.物理場(chǎng)的選擇
2.建立薄膜聲學(xué)超材料的幾何模型并完成網(wǎng)格的劃分：
圖3.幾何模型的構(gòu)建
圖4.網(wǎng)格的劃分
3.變量定義以及材料屬性的添加：
定義吸聲系數(shù)的變量，添加薄膜和質(zhì)量塊的材料屬性如下圖5.6。
圖5.變量定義
圖6.質(zhì)量塊和薄膜材料屬性的定義
4.邊界條件的添加：
在入射聲場(chǎng)和透射聲場(chǎng)的端面添加平面波輻射邊界條件，以防止聲波的反射。同時(shí)在薄膜的四周添加固定約束邊界條件，用于模擬薄膜被支撐框架固定的邊界條件。
5.添加研究，對(duì)吸聲系數(shù)的頻率分析：
圖7.薄膜聲學(xué)超材料的吸聲系數(shù)
圖8.論文中的吸聲曲線
基于以上分析，可改變參數(shù)對(duì)其參數(shù)化掃描，即可得到薄膜型聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)化參數(shù)的影響。
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公眾號(hào):320科技工作室
展開(kāi) 
用于寬帶低頻聲衰減的復(fù)合聲學(xué)超材料
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(fù)合聲學(xué)超材料。這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低頻區(qū)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(lái)解釋。傳輸損耗和透射率具有較強(qiáng)的魯棒性，并進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)復(fù)合設(shè)計(jì)，利用深亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，我們成功地實(shí)現(xiàn)了寬帶低頻聲衰減，在1250hz頻率范圍內(nèi)阻擋了90%以上的入射聲能。我們的工作提供了一個(gè)設(shè)計(jì)范例，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)超常的低頻機(jī)載聲消聲。
復(fù)合聲學(xué)超材料理論
通常，傳遞矩陣T0用于將給定結(jié)構(gòu)的前(x=0)和后(x=d)表面的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度聯(lián)系起來(lái)，如下所示：
其中P是聲壓，V是歸一化的聲質(zhì)點(diǎn)速度。 在SMR單胞的情況下，聲學(xué)性能歸因于變面積管道和六個(gè)空間線圈元件的有效介質(zhì)。 因此，將管道中SMR單胞的傳遞矩陣T0改寫(xiě)為T(mén)0=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(xiàn)，由：
其中K0為空氣中聲波的波數(shù)，Lc=0.5H+0.95R(1-1.25√φ0)為前（后）變面積管道的有效長(zhǎng)度，H為SMR晶胞的厚度，φ0為風(fēng)管變面積比，φ0 = r2/ R2。
（a）復(fù)合聲學(xué)超材料及其組分示意圖。 內(nèi)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(qū)劃分為6個(gè)側(cè)支空間卷取元結(jié)構(gòu)單元，幾何參數(shù)為：空間卷曲通道寬度W=0.05R，結(jié)構(gòu)框架厚度T=0.035R，卷曲數(shù)N=8。 內(nèi)開(kāi)區(qū)半徑r=R-(N+1)×t-N×w。 波路徑L被描繪為橙色線。一個(gè)SMR單胞的等效模型如右圖所示。
展開(kāi) 【每日新文】基于折紙的可調(diào)寬帶聲衰減聲學(xué)超材料
實(shí)現(xiàn)降噪的一種方法是使用聲學(xué)超材料。 然而，傳統(tǒng)聲學(xué)超材料中，低頻降噪方面一直存在頻段固定、頻帶狹窄的問(wèn)題。本研究將手風(fēng)琴折紙作為側(cè)腔引入亥姆霍茲諧振腔，開(kāi)發(fā)了一種具有可調(diào)諧和寬帶消聲能力的新型折紙聲學(xué)超材料(OBAM)。 本文通過(guò)理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)OBAM的聲衰減特性進(jìn)行了廣泛的研究，并用傳輸損耗(TL)來(lái)量化OBAM的聲衰減特性。 通過(guò)利用手風(fēng)琴折紙的單自由度特性，可以很容易地通過(guò)壓力來(lái)調(diào)節(jié)OBAM的聲音衰減。 采用傳遞矩陣法對(duì)OBAM的TL進(jìn)行了解析計(jì)算，并與有限元法和聲阻抗法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，理論方法、數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)方法具有良好的一致性，并且在中低頻段內(nèi)可以通過(guò)壓力來(lái)方便地定量地調(diào)諧TL。 工作頻帶帶寬（TL大于10 dB)，有效衰減聲能90%以上，在271-790 Hz范圍內(nèi)可達(dá)500 Hz,其中以λ為工作波長(zhǎng)的OBAM厚度僅為1/18-1/6λ，顯示了OBAM在亞波長(zhǎng)下強(qiáng)大的寬帶低頻消聲能力。此外，所提出的OBAM允許氣流滲透，具有很高的設(shè)計(jì)靈活性和可編程性，并且保持尺度無(wú)關(guān)、實(shí)時(shí)調(diào)整和不需要復(fù)雜的控制算法。 本研究為高效通風(fēng)的有效可調(diào)諧寬頻帶隔聲衰減設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
OBAM的幾何設(shè)計(jì)：(A)聲學(xué)超材料的兩個(gè)主要部分，包括折紙諧振腔和波導(dǎo)管;(B)折紙諧振器的組成，由手風(fēng)琴折紙、剛性上板、底座、密封腔組成；(C)手風(fēng)琴折紙單元格的二維折痕圖和三維拓?fù)錁?gòu)型，左面板為二維折痕圖，右面板為三維拓?fù)錁?gòu)型。
OBAM原型的制作：(A)制作工藝，主要包括八個(gè)步驟。前7步是制作折紙諧振器原型，最后8步是形成OBAM原型；(B)一個(gè)典型的折紙諧振器原型的放大視圖，頂部有一個(gè)進(jìn)氣軟管；(C)組裝折紙諧振器和波導(dǎo)管，形成OBAM原型。
展開(kāi) 基于comsol進(jìn)行共振薄膜聲學(xué)超材料的模態(tài)分析
研究背景：
從聲學(xué)超材料出現(xiàn)到薄膜型和薄板型聲學(xué)超材料局域共振隔聲機(jī)理的廣泛研究，其負(fù)等效質(zhì)量和負(fù)等效密度特性打破了傳統(tǒng)吸隔聲材料質(zhì)量定律的限制，為低頻吸隔聲提供了新途徑。由吸聲系數(shù)理論模型可知，薄膜型結(jié)構(gòu)的吸聲性能與振型模態(tài)、相對(duì)聲阻抗率有關(guān)。對(duì)有無(wú)附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，探討振型模態(tài)與吸聲系數(shù)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
研究?jī)?nèi)容：
由吸聲系數(shù)理論模型可知，薄膜型結(jié)構(gòu)的吸聲性能與振型模態(tài)、相對(duì)聲阻抗率有關(guān)，對(duì)有無(wú)附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，探討振型模態(tài)與吸聲系數(shù)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖1.薄膜型結(jié)構(gòu)
圖2.無(wú)中心質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)分析
圖3. 含中心質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)分析
數(shù)值模擬：
分別對(duì)有無(wú)附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，預(yù)應(yīng)力模態(tài)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(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量塊彈性模量為 200GPa，泊松比為 0.30。進(jìn)行COMSOL 預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真時(shí)，圓形薄膜結(jié)構(gòu)采用膜單元(Membrane)，薄膜中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行添加質(zhì)量處理，除邊界條件的設(shè)置外，還需在薄膜表面施加初始面應(yīng)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(gòu)建
（2）設(shè)置物理場(chǎng)
圖5.物理場(chǎng)的設(shè)置
（3）模態(tài)分析
無(wú)附加質(zhì)量塊張緊圓膜結(jié)構(gòu)和附加圓形質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率和模態(tài)振型仿真結(jié)果如圖。可以看出在comsol中利用膜單元對(duì)薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)分析結(jié)果與原文中對(duì)應(yīng)的十分準(zhǔn)確。
圖6. 復(fù)現(xiàn)無(wú)中心質(zhì)量塊薄膜型結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)
圖7.
展開(kāi) 基于comsol熱黏性聲學(xué)模塊仿真聲學(xué)超材料的聲學(xué)特性
研究?jī)?nèi)容：
傳統(tǒng)的聲學(xué)吸收器被用于具有與工作波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)暮穸鹊慕Y(jié)構(gòu)，這在低頻范圍的實(shí)際應(yīng)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(qū)域?qū)崿F(xiàn)聲波的完全吸收。具有深亞波長(zhǎng)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(xué)熱力學(xué)方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎(chǔ)物理和聲學(xué)性能，顯示出極好的一致性。
圖1.傳統(tǒng)微穿孔板與聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.論文中阻抗分析和數(shù)值模擬的吸聲系數(shù)曲線
數(shù)值模擬：
在comsol中利用熱黏性聲學(xué)接口對(duì)聲學(xué)超材料的聲學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。建立的幾何模型如下所示。
圖3.幾何模型的構(gòu)建
吸聲系數(shù)曲線的數(shù)值模擬值如下所示：
圖4.數(shù)值模擬中的吸聲系數(shù)
理論計(jì)算：
通過(guò)聲電類比法計(jì)算得到聲學(xué)超表面的吸聲系數(shù)，其理論計(jì)算如下：
首先由經(jīng)典的微穿孔理論得到吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗和吸聲系數(shù)：
yc為環(huán)繞型腔體的等效聲阻抗：
在計(jì)算軟件中導(dǎo)入吸聲系數(shù)理論計(jì)算的公式，從而計(jì)算出吸聲系數(shù)曲線
吸聲系數(shù)曲線的理論計(jì)算值如下所示
圖5.理論計(jì)算得到的吸聲系數(shù)
綜上，理論計(jì)算和數(shù)值分析的吸聲系數(shù)曲線具有很好的一致性，同時(shí)與論文中的結(jié)果完全相同。
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聲學(xué)超材料，拓?fù)渎曌泳w，高斯波束，聲學(xué)超通，壓電，微流體，能帶、帶隙 部分課程視頻+案例 【閑魚(yú)】https://m.tb.cn/h.g0GQqLC?tk=JNVxWsRPl66 CZ3452
基于comsol的壓力聲學(xué)-熱黏性聲學(xué)模塊模擬一種具有多階吸聲的低頻寬帶薄超表面
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(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。近年來(lái)，聲學(xué)超材料發(fā)展迅速，具有前所未有的優(yōu)異低頻性能。已經(jīng)設(shè)計(jì)了一系列亞波長(zhǎng)厚度的超材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻聲音的100%吸收。例如，由彈性膜和剛性盤(pán)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(zhǎng)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，由于薄膜柔軟，它很容易受到機(jī)械損傷。卷曲空間超材料是另一種重要的聲學(xué)超材料，它可以通過(guò)增加聲路來(lái)實(shí)現(xiàn)極端的吸聲性能。然而，由于諧振特性，大多數(shù)超材料只能在窄頻帶內(nèi)獲得良好的吸收性能，這限制了實(shí)際應(yīng)用。
研究?jī)?nèi)容：
我們提出了一種具有多級(jí)吸聲的薄多單元超表面的理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，該超表面在450 Hz–1360 Hz的寬帶范圍內(nèi)表現(xiàn)出連續(xù)的近乎完美的吸收光譜。超表面單元是穿孔復(fù)合亥姆霍茲諧振器（PCHR），其通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)帶有小孔的分離板插入亥姆霍茨諧振器（HR）的內(nèi)部來(lái)構(gòu)造。可以實(shí)現(xiàn)多階吸聲機(jī)制，使得在原始吸收峰值和結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，通過(guò)PCHR單元在更高的頻率下獲得多個(gè)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(lán)色）和原始HR（紅色）的吸聲系數(shù)
數(shù)值模擬：
為了驗(yàn)證這一理論模型，使用商業(yè)軟件COMSOL Multiphysics開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)值模擬模型。由于粘性摩擦和熱傳導(dǎo)對(duì)聲能量耗散有很大影響，本模型采用壓力聲學(xué)-熱黏性聲學(xué)相互作用模塊。
（1）建立幾何模型
圖3.幾何模型的構(gòu)建
（2）設(shè)置物理場(chǎng)
圖4.物理場(chǎng)的設(shè)置
（3）吸聲系數(shù)計(jì)算
圖5顯示了PCHR仿真復(fù)現(xiàn)的吸聲系數(shù)，數(shù)值模型計(jì)算的吸聲系數(shù)與原文中結(jié)果相比顯示出了良好的一致性。
展開(kāi) 學(xué)術(shù)前沿：粒子增強(qiáng)橡膠基膜型聲超材料聲傳輸損耗的研究
原文摘要：
本文采用分子動(dòng)力學(xué)（MD）法測(cè)定了粒子增強(qiáng)乙烯丙烯二烯單體（EPDM）/乙烯四氟乙烯（ETFE）共聚物材料的力學(xué)性能，并將該共聚物材料用于聲學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次，基于離散點(diǎn)匹配方法，對(duì)材料的聲傳輸損耗特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過(guò)多物理場(chǎng)耦合有限元模型驗(yàn)證了該理論的準(zhǔn)確性和有效性。最后，研究了影響材料結(jié)構(gòu)的7個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并分析了它們的影響規(guī)律和機(jī)理。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)ETFE薄膜材料在低頻條件下的隔音缺陷。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的合理選擇，可以對(duì)特定頻段進(jìn)行高隔音設(shè)計(jì)，這對(duì)建筑領(lǐng)域（新型建筑材料）的潛在應(yīng)用具有重要意義。
原文總結(jié)：
本文提出了一種用于改善ETFE膜結(jié)構(gòu)建筑聲學(xué)性能的顆粒增強(qiáng)聚合物薄膜超材料，側(cè)重于在聲音不易控制的低頻范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)隔音潛力。該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)薄膜由具有優(yōu)良聲學(xué)性能的EPDM和ETFE復(fù)合材料組成，并引入改善機(jī)械性能的碳納米顆粒。整體結(jié)構(gòu)由大量常規(guī)金屬塊加載在薄膜上組成。本工作的第一部分是使用MS軟件開(kāi)發(fā)復(fù)合聚合物材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)；其次，利用離散點(diǎn)匹配的思想構(gòu)建了聚合物薄膜聲學(xué)超材料的完整三維聲傳輸損失預(yù)測(cè)模型。同時(shí)，基于COMSOL Multi-physics 5.6軟件，建立了顆粒增強(qiáng)EPDM/ETFE MAM的聲學(xué)結(jié)構(gòu)耦合有限元模型，并分析了其傳輸損失特性，驗(yàn)證了上述方法的準(zhǔn)確性和可靠性，也證實(shí)了該結(jié)構(gòu)在低頻聲隔音方面的優(yōu)越性。通過(guò)將該結(jié)構(gòu)的聲傳輸損失與等效質(zhì)量的聚合物膜結(jié)構(gòu)和金屬膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，進(jìn)一步展示了該結(jié)構(gòu)在ETFE膜建筑中的潛力。
展開(kāi) 
“新四化”背景下汽車NVH的發(fā)展趨勢(shì)
圖5 多通道Command-FxLMS算法原理框圖
聲學(xué)超材料主動(dòng)降噪充分利用了超材料功能化的原理，通過(guò)外部激勵(lì)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)超材料等效參數(shù)的主動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)隔聲性能的主動(dòng)可控，從而更加適應(yīng)復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境，目前主要有四種結(jié)構(gòu)，第一種是壓電薄膜式，通過(guò)外加電壓改變壓電材料剛度，從而調(diào)整這個(gè)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)頻段的控制[5]；第二種是基于磁流變的主動(dòng)聲學(xué)超材料，通過(guò)調(diào)控磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲學(xué)超材料隔聲量和隔聲頻段的調(diào)節(jié)[6]；第三種是通過(guò)改變聲學(xué)超材料薄膜之間的氣壓，對(duì)聲學(xué)超材料的隔聲性能進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控[7]；第四種是通過(guò)輸入不同強(qiáng)度的電流改變結(jié)構(gòu)剛度，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)超材料聲學(xué)性能的主動(dòng)調(diào)節(jié)[8]。
隔振手段智能化，汽車的主動(dòng)懸置主要通過(guò)調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)減振的目的。目前主動(dòng)懸置主要有傳統(tǒng)的液壓懸置和新興的電/磁流變液懸置[9]，多孔電流變液懸置如圖6所示，電/磁流變液懸置中充有電/磁流變液，在電/磁場(chǎng)的控制下可以改變其形態(tài)，從而達(dá)到改變阻尼力的目的，最終可以對(duì)振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制。
圖6 多孔電流變液懸置
3.4 聲學(xué)包超材料化
與傳統(tǒng)聲學(xué)材料相比，聲學(xué)超材料具有更小的結(jié)構(gòu)尺寸和更高的能量耗散率[10]，對(duì)低頻段噪聲具有良好的吸聲性能，這一特性可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)聲學(xué)材料的不足。
研究表明，三明治薄板結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超材料在薄板厚度均為1 mm時(shí)可以在低于500 Hz的頻段內(nèi)獲得高達(dá)35 dB的隔聲量[11]，在帶寬超過(guò)200 Hz的頻段內(nèi)具有20 dB以上的隔聲量。有的膜類帶腔聲學(xué)超材料在200-1000Hz范圍內(nèi)具有連續(xù)的吸聲寬帶，其吸聲效果如圖7所示，其平均吸聲系數(shù)為80%左右，最大吸聲系數(shù)接近100%，具有相當(dāng)優(yōu)異的吸聲性能。
展開(kāi) 薄膜型聲學(xué)超表面設(shè)計(jì)與可調(diào)節(jié)性研究
而低頻噪聲由于具有波長(zhǎng)大、穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，傳統(tǒng)的隔聲材料需要通過(guò)不斷增加材料的重量、體積來(lái)提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質(zhì)量作用定律的限制)是隔聲領(lǐng)域中研究難點(diǎn)
研究?jī)?nèi)容：
結(jié)合薄膜型聲學(xué)超材料與聲學(xué)超表面在低頻降噪領(lǐng)域的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)一種薄膜型聲學(xué)超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實(shí)現(xiàn)低頻寬帶隔聲降噪并實(shí)現(xiàn)隔聲帶的可調(diào)節(jié)性。
圖1. 薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)路線：
在COMSOL軟件中對(duì)薄膜型聲學(xué)超表面的隔聲特性進(jìn)行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設(shè)置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對(duì)入射口出射口積分，計(jì)算入射、出射聲功率。設(shè)置薄膜的預(yù)應(yīng)力，模型框架設(shè)置邊界固定條件，并劃分自由四面體網(wǎng)格。在采用壓力聲學(xué)頻域和固體力學(xué)兩個(gè)物理場(chǎng)接口。
建立薄膜聲學(xué)超表面的幾何模型并完成網(wǎng)格的劃分：
圖2.幾何模型的構(gòu)建
圖3.網(wǎng)格的劃分
圖4.薄膜聲學(xué)超表面的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
圖5.論文中的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數(shù)對(duì)其參數(shù)化掃描，即可得到薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)化參數(shù)的影響。
最后,有相關(guān)需求歡迎通過(guò)公眾號(hào)"320科技工作室"與我們聯(lián)絡(luò)
展開(kāi) 基于Comsol進(jìn)行薄膜型聲學(xué)超表面設(shè)計(jì)與可調(diào)節(jié)性研究
而低頻噪聲由于具有波長(zhǎng)大、穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，傳統(tǒng)的隔聲材料需要通過(guò)不斷增加材料的重量、體積來(lái)提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質(zhì)量作用定律的限制)是隔聲領(lǐng)域中研究難點(diǎn)
研究?jī)?nèi)容：
結(jié)合薄膜型聲學(xué)超材料與聲學(xué)超表面在低頻降噪領(lǐng)域的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)一種薄膜型聲學(xué)超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實(shí)現(xiàn)低頻寬帶隔聲降噪并實(shí)現(xiàn)隔聲帶的可調(diào)節(jié)性。
圖1. 薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)路線：
在COMSOL軟件中對(duì)薄膜型聲學(xué)超表面的隔聲特性進(jìn)行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設(shè)置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對(duì)入射口出射口積分，計(jì)算入射、出射聲功率。設(shè)置薄膜的預(yù)應(yīng)力，模型框架設(shè)置邊界固定條件，并劃分自由四面體網(wǎng)格。在采用壓力聲學(xué)頻域和固體力學(xué)兩個(gè)物理場(chǎng)接口。
建立薄膜聲學(xué)超表面的幾何模型并完成網(wǎng)格的劃分：
圖2.幾何模型的構(gòu)建
圖3.網(wǎng)格的劃分
圖4.薄膜聲學(xué)超表面的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
圖5.論文中的預(yù)應(yīng)力對(duì)隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數(shù)對(duì)其參數(shù)化掃描，即可得到薄膜型聲學(xué)超表面的結(jié)構(gòu)化參數(shù)的影響。
最后，有相關(guān)需求歡迎通過(guò)公眾號(hào)“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
展開(kāi) 基于comsol模擬微穿孔板和卷曲通道的混合吸聲器低頻吸聲
然而，由于低頻聲音的強(qiáng)穿透性和普通材料的弱固有分散性，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)的吸聲材料，如多孔材料，已被證明對(duì)高頻吸聲（>1000Hz）有效，但如果厚度有限，在低頻時(shí)會(huì)有缺點(diǎn)。近年來(lái)，聲學(xué)超材料的概念為低頻吸聲器的設(shè)計(jì)提供了新的思路。許多亞波長(zhǎng)吸聲材料或設(shè)備是基于諧振結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的，如裝飾膜諧振器、亥姆霍茲諧振器。帶有背腔的傳統(tǒng)微孔板也是低頻吸聲器的良好候選者。
研究?jī)?nèi)容：
提出了一種基于微穿孔板和卷曲法布里-珀羅通道的混合聲學(xué)超材料吸收器，它可以有效地吸收非常低頻率（<500 Hz）的入射聲波能量，具有較寬的相對(duì)吸收帶寬。分析檢驗(yàn)了所提吸收器的高效可調(diào)吸收特性，并通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該吸收體的吸收特性。
圖1. 混合超材料吸收器示意圖
圖2.論文中數(shù)值模擬的吸聲系數(shù)曲線
數(shù)值模擬：
在comsol中利用壓力聲學(xué)接口對(duì)聲學(xué)超材料的聲學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。仿真分析的步驟如下所示。
（1）建立幾何模型
圖3.幾何模型的構(gòu)建
（2）設(shè)置物理場(chǎng)
圖4.物理場(chǎng)的設(shè)置
（3）求解吸聲系數(shù)
圖5.數(shù)值分析的吸聲系數(shù)
通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算得到的吸聲系數(shù)曲線與文獻(xiàn)的結(jié)果基本一致。兩個(gè)吸收器使用相同的螺旋形通道構(gòu)建，但使用不同的MPP，其中一種情況的參數(shù)為d=0.9 mm、t0=0.64 mm、p=0.018（左圖），另一種情況下的參數(shù)為d=0.4mm、t0 =0.64 mm和p=0.048（右圖）。
總之，我們提出了一種基于微穿孔面板和卷曲Fabry–P erot通道的混合聲學(xué)超材料吸收器，它可以有效地吸收極低頻（<500 Hz）下的入射聲波能量，并具有較寬的相對(duì)吸收帶寬。
展開(kāi) 