低頻寬帶吸聲的案例
基于comsol的壓力聲學-熱黏性聲學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性的課題。近年來，聲學超材料發展迅速，具有前所未有的優異低頻性能。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，使用商業軟件COMSOL Multiphysics開發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。
展開 基于comsol模擬微穿孔板和卷曲通道的混合吸聲器低頻吸聲
研究背景：
具有深亞波長厚度（5cm）的吸收器對低頻聲音（<500Hz）的衰減在噪聲控制工程中引起了極大的興趣。然而，由于低頻聲音的強穿透性和普通材料的弱固有分散性，這是一項具有挑戰性的任務。傳統的吸聲材料，如多孔材料，已被證明對高頻吸聲（>1000Hz）有效，但如果厚度有限，在低頻時會有缺點。近年來，聲學超材料的概念為低頻吸聲器的設計提供了新的思路。許多亞波長吸聲材料或設備是基于諧振結構開發的，如裝飾膜諧振器、亥姆霍茲諧振器。帶有背腔的傳統微孔板也是低頻吸聲器的良好候選者。
研究內容：
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，具有較寬的相對吸收帶寬。分析檢驗了所提吸收器的高效可調吸收特性，并通過數值模擬和實驗驗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.論文中數值模擬的吸聲系數曲線
數值模擬：
在comsol中利用壓力聲學接口對聲學超材料的聲學特性進行仿真分析。仿真分析的步驟如下所示。
（1）建立幾何模型
圖3.幾何模型的構建
（2）設置物理場
圖4.物理場的設置
（3）求解吸聲系數
圖5.數值分析的吸聲系數
通過數值分析計算得到的吸聲系數曲線與文獻的結果基本一致。兩個吸收器使用相同的螺旋形通道構建，但使用不同的MPP，其中一種情況的參數為d=0.9 mm、t0=0.64 mm、p=0.018（左圖），另一種情況下的參數為d=0.4mm、t0 =0.64 mm和p=0.048（右圖）。
展開 吸聲材料的結構作用及低頻聲陷井
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，同時還可以有效控制混響時間，對改善聽音區頻響也起到很重要的作用。如此，可以創造一個監聽更加清晰并且更加標準的混音環境。
01 中高頻吸收
高頻吸收主要是針對聲場設計，進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行吸聲處理，并與擴散體聯合進行聲場塑造。
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，當監聽音箱發出的聲音撞擊墻面后，經反射的聲波與監聽音箱繼續發出的聲波發生干涉作用。根據波長不同，聲壓或被加強或被抵消，且不同的位置具有不同的頻響。在一個未經處理的房間內，聲波相互反相發生干涉作用時，最多會產生25dB甚至更多的衰減。
很多人錯誤地認為，使用近場監聽揚聲器可以排除聲學缺陷。事實上，一樣會有駐波問題，只是在監聽位置直達聲的能量較大而已。雖然當人耳靠近揚聲器時，高頻反射聲會由于掩蔽效應逐漸減小，但是低頻干涉仍然存在。
另一個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。聲波干涉與房間結構有關，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償聲學缺陷。
雖然使用耳機可以避免房間帶來的聲學問題，但是耳機監聽的聲音只有直達聲，使得我們很難去控制某些音軌的音量。
展開 用于寬帶低頻聲衰減的復合聲學超材料
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。(c)亥姆霍茲諧振腔陣列由八個亥姆霍茲諧振腔單元組成，它們都有相同的腔體積和頸長，但頸面積不同。
展開 
用于有限空腔空間外殼中低頻吸聲的翻轉雙層微穿孔板
研究背景：
低頻噪聲衰減是噪聲控制工程中日益增長和富有挑戰性的課題之一。在實際工程應用中，通常使用傳統的纖維和多孔吸聲材料來降低噪聲。然而，由于低頻范圍內的聲波長較長，此類吸聲材料在低頻噪聲控制應用中的有效性受到限制。20世紀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可以產生類似于亥姆霍茲諧振器的吸聲機制。最高可用性構架介紹了多點定位系統的理論分析和設計原理。MPP由于其重量輕、無纖維和環境友好的特點，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，以及在低頻時需要較大的背腔深度，傳統MPP的應用受到限制。
研究內容：
本文提出了一種新型吸聲結構，該結構基于雙層微穿孔板（DLMPP）和類似于卷曲空間的翻轉空間概念，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。結果表明，新設計可以產生類似于傳統DLMPP的寬帶吸聲，空腔翻轉可以實現有限背腔空間外殼的低頻吸聲。對新設計的吸聲系數進行了理論分析和有限元模擬。還討論了設計參數對新設計吸聲系數的影響。
圖1. DLMPP的示意圖（a）傳統的系列安排的DLMPP;（b）新的 T-DLMPP 設計.
技術路線：
在Comsol中對這兩種DLMPP結構進行有限元仿真分析。
1. 幾何模型的構建及網格劃分：
圖2.T-DLMPP幾何模型構建及網格劃分
2. 添加研究，對結構化參數對吸聲系數的影響進行頻率分析：
圖3.孔徑大小對吸聲系數的影響（左原文，右復現）。
圖4.穿孔率對吸聲系數的影響（左原文，右復現）。
圖5.板厚對吸聲系數的影響（左原文，右復現）。
展開 中科院聲學所張晗《EML》：可重構手性雙螺旋復合水下吸聲超表面
(a) 2、4、6級螺旋的模型圖;(b)6階螺旋在2.7 kHz、3.35 kHz及4.5 kHz聲壓及速度分布剖視圖;(c)-(e)這三個不同階次單元的水下吸聲曲線。
螺旋拼接方式的影響
越曲折的傳輸路徑越會導致相位的急劇變化，這意味著可以通過改變螺旋路徑曲折度控制吸聲特性。我們分別沿相同方向和鏡像方向拼接第二個相同長度的螺旋。兩個螺旋單元的最低吸聲頻率相同均為1.405kHz，而相同方向拼接的螺旋結構吸聲帶寬要比鏡面拼接結構的吸聲帶寬寬500Hz。從聲壓分布圖中可以觀察到，鏡面結構導致拼接處的相位突變，從而耗散了大量的聲能。結果表明，路徑長度是影響最低吸聲頻率的參數，而螺旋拼接方法僅影響帶寬。
圖5所示。螺旋路徑不同拼接方式對吸收系數的影響。(a)同向、鏡面拼接的螺旋結構模型;(b)兩個拼接螺旋單元在各自吸收峰處的聲壓和速度分布圖。顏色代表聲壓，白線代表聲速;(c) -(d)兩個剪接模型的吸聲系數曲線。
本工作基于廣義Snell定律，通過逐步破壞仿生雙螺旋結構序元空間對稱性，達到了原有螺旋基元不能實現的低頻寬帶完美吸聲效果。通過增長螺旋、高階螺旋、順向拼接雙螺旋、鏡像拼接雙螺旋等方式對該雙螺旋吸聲結構吸聲特性的影響規律進行了研究，驗證了其在水下低頻寬帶的完美吸聲特性和吸聲頻率可調性。這項工作大大減小了吸聲裝置的側向厚度，同時將吸聲效率保持在等效長直管的水平，增加了實際應用的可操作性。這樣的結構在設計超薄且吸聲頻率可廣泛調節的低頻寬帶水下吸聲結構具有巨大的應用潛力。
展開 “新四化”背景下汽車NVH的發展趨勢
聲學超結構低頻寬帶協同耦合高效吸聲機理[J]. 西安交通大學學報, 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]. International Journal of Modern Physics B, 2015, 29(5):1550027.
