低頻寬帶吸聲
關(guān)注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時(shí)間：2023-10-06
低頻寬帶吸聲的實(shí)例教程
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，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，它可以通過增加聲路來實(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 研究背景：
具有深亞波長(zhǎng)厚度（5cm）的吸收器對(duì)低頻聲音（<500Hz）的衰減在噪聲控制工程中引起了極大的興趣。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，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）。
展開 聲吸收可分為中高頻吸收和低頻吸收，聲吸收可以減少回聲，同時(shí)還可以有效控制混響時(shí)間，對(duì)改善聽音區(qū)頻響也起到很重要的作用。如此，可以創(chuàng)造一個(gè)監(jiān)聽更加清晰并且更加標(biāo)準(zhǔn)的混音環(huán)境。
01 中高頻吸收
高頻吸收主要是針對(duì)聲場(chǎng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行早期反射聲波干涉、混響以及回聲的控制。通常可使用全頻帶吸聲玻璃纖維板進(jìn)行吸聲處理，并與擴(kuò)散體聯(lián)合進(jìn)行聲場(chǎng)塑造。
02 低頻吸收（低頻聲陷）
低頻聲陷的作用是避免低頻駐波以及聲音干涉帶來的低頻頻響失真，當(dāng)監(jiān)聽音箱發(fā)出的聲音撞擊墻面后，經(jīng)反射的聲波與監(jiān)聽音箱繼續(xù)發(fā)出的聲波發(fā)生干涉作用。根據(jù)波長(zhǎng)不同，聲壓或被加強(qiáng)或被抵消，且不同的位置具有不同的頻響。在一個(gè)未經(jīng)處理的房間內(nèi)，聲波相互反相發(fā)生干涉作用時(shí)，最多會(huì)產(chǎn)生25dB甚至更多的衰減。
很多人錯(cuò)誤地認(rèn)為，使用近場(chǎng)監(jiān)聽揚(yáng)聲器可以排除聲學(xué)缺陷。事實(shí)上，一樣會(huì)有駐波問題，只是在監(jiān)聽位置直達(dá)聲的能量較大而已。雖然當(dāng)人耳靠近揚(yáng)聲器時(shí)，高頻反射聲會(huì)由于掩蔽效應(yīng)逐漸減小，但是低頻干涉仍然存在。
另一個(gè)誤解是使用均衡器改變由于聲波相位抵消所引起的頻響變化。聲波干涉與房間結(jié)構(gòu)有關(guān)，是客觀存在的，除非改變聲波傳遞方向，否則使用均衡無法改變由于聲波干涉引起的頻響畸變。并且不同的位置獲得的頻響曲線完全不同，所以不可能依靠均衡器來補(bǔ)償聲學(xué)缺陷。
雖然使用耳機(jī)可以避免房間帶來的聲學(xué)問題，但是耳機(jī)監(jiān)聽的聲音只有直達(dá)聲，使得我們很難去控制某些音軌的音量。
展開 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，通過它來實(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，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(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。(c)亥姆霍茲諧振腔陣列由八個(gè)亥姆霍茲諧振腔單元組成，它們都有相同的腔體積和頸長(zhǎng)，但頸面積不同。
展開 研究背景：
低頻噪聲衰減是噪聲控制工程中日益增長(zhǎng)和富有挑戰(zhàn)性的課題之一。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常使用傳統(tǒng)的纖維和多孔吸聲材料來降低噪聲。然而，由于低頻范圍內(nèi)的聲波長(zhǎng)較長(zhǎng)，此類吸聲材料在低頻噪聲控制應(yīng)用中的有效性受到限制。20世紀(jì)70年代，微穿孔板（MPP）被引入作為中低頻噪聲控制的替代吸聲器。MPP通常由具有分布亞毫米通孔的薄面板制成，并與背襯空氣腔耦合。MPP可以產(chǎn)生類似于亥姆霍茲諧振器的吸聲機(jī)制。最高可用性構(gòu)架介紹了多點(diǎn)定位系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計(jì)原理。MPP由于其重量輕、無纖維和環(huán)境友好的特點(diǎn)，自誕生以來一直被視為下一代吸聲材料。然而，由于吸聲帶寬較窄，以及在低頻時(shí)需要較大的背腔深度，傳統(tǒng)MPP的應(yīng)用受到限制。
研究?jī)?nèi)容：
本文提出了一種新型吸聲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于雙層微穿孔板（DLMPP）和類似于卷曲空間的翻轉(zhuǎn)空間概念，以改善具有有限背襯空氣腔空間的外殼中的低頻到中頻吸聲。結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生類似于傳統(tǒng)DLMPP的寬帶吸聲，空腔翻轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)有限背腔空間外殼的低頻吸聲。對(duì)新設(shè)計(jì)的吸聲系數(shù)進(jìn)行了理論分析和有限元模擬。還討論了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)新設(shè)計(jì)吸聲系數(shù)的影響。
圖1. DLMPP的示意圖（a）傳統(tǒng)的系列安排的DLMPP;（b）新的 T-DLMPP 設(shè)計(jì).
技術(shù)路線：
在Comsol中對(duì)這兩種DLMPP結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析。
1. 幾何模型的構(gòu)建及網(wǎng)格劃分：
圖2.T-DLMPP幾何模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分
2. 添加研究，對(duì)結(jié)構(gòu)化參數(shù)對(duì)吸聲系數(shù)的影響進(jìn)行頻率分析：
圖3.孔徑大小對(duì)吸聲系數(shù)的影響（左原文，右復(fù)現(xiàn)）。
圖4.穿孔率對(duì)吸聲系數(shù)的影響（左原文，右復(fù)現(xiàn)）。
圖5.板厚對(duì)吸聲系數(shù)的影響（左原文，右復(fù)現(xiàn)）。
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低頻寬帶吸聲的最新內(nèi)容
研究背景：
具有深亞波長(zhǎng)厚度（5cm）的吸收器對(duì)低頻聲音（<500Hz）的衰減在噪聲控制工程中引起了極大的興趣。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，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)開發(fā)的
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，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
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，通過它來實(shí)現(xiàn)超常的低頻機(jī)載聲消聲
研究背景：
低頻噪聲衰減是噪聲控制工程中日益增長(zhǎng)和富有挑戰(zhàn)性的課題之一。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常使用傳統(tǒng)的纖維和多孔吸聲材料來降低噪聲。然而，由于低頻范圍內(nèi)的聲波長(zhǎng)較長(zhǎng)，此類吸聲材料在低頻噪聲控制應(yīng)用中的有效性受到限制。20世紀(jì)70年代，微穿孔板（MPP）被引入作為中低頻噪聲控制的替代吸聲器。MPP通常由具有分布亞毫米通孔的薄面板制成，并與背襯空氣腔耦合。MPP可以產(chǎn)生類似于亥姆霍茲諧振器的吸聲機(jī)制
聲學(xué)超結(jié)構(gòu)低頻寬帶協(xié)同耦合高效吸聲機(jī)理[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 53(10):122-127.
[11]Shen L, Wu J H, Liu Z, et al.Extremely low-frequency Lamb wave band gaps in a sandwich phononic crystal thinplate[J].
這樣的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)超薄且吸聲頻率可廣泛調(diào)節(jié)的低頻寬帶水下吸聲結(jié)構(gòu)具有巨大的應(yīng)用潛力。
聲吸收可分為中高頻吸收和低頻吸收，聲吸收可以減少回聲，同時(shí)還可以有效控制混響時(shí)間，對(duì)改善聽音區(qū)頻響也起到很重要的作用。如此，可以創(chuàng)造一個(gè)監(jiān)聽更加清晰并且更加標(biāo)準(zhǔn)的混音環(huán)境。
01 中高頻吸收
高頻吸收主要是針對(duì)聲場(chǎng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行早期反射聲波干涉、混響以及回聲的控制。通常可使用全頻帶吸聲玻璃纖維板進(jìn)行吸聲處理
