聲學材料的案例
微孔和柔性的MOF聲學超材料
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 科學家研發出新型聲學超材料
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 基于Comsol進行薄膜型聲學超材料的低頻降噪仿真分析
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、彈性薄膜和空心質量塊。支撐框架是固定并張緊薄膜類似彈簧的作用。
圖1.薄膜型聲學超材料的結構示意圖
技術路線：
在comsol中對薄膜聲學超材料低頻降噪進行仿真分析。
1.添加固體力學和壓力聲學多物理場耦合：
圖2.物理場的選擇
2.建立薄膜聲學超材料的幾何模型并完成網格的劃分：
圖3.幾何模型的構建
圖4.網格的劃分
3.變量定義以及材料屬性的添加：
定義吸聲系數的變量，添加薄膜和質量塊的材料屬性如下圖5.6。
圖5.變量定義
圖6.質量塊和薄膜材料屬性的定義
4.邊界條件的添加：
在入射聲場和透射聲場的端面添加平面波輻射邊界條件，以防止聲波的反射。同時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，對吸聲系數的頻率分析：
圖7.薄膜聲學超材料的吸聲系數
圖8.論文中的吸聲曲線
基于以上分析，可改變參數對其參數化掃描，即可得到薄膜型聲學超材料的結構化參數的影響。
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公眾號:320科技工作室
展開 Comsol 薄膜型聲學超材料隔聲性能（嵌入質量塊）
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，一部分聲波會被反射回去，另一部分聲波則會被吸收或繼續穿透材料，但其強度會受到一定程度的衰減。通過層層反射和吸收，材料可以將聲波的傳播和干擾效應降到最小，從而實現隔聲的目的。
薄膜型聲學超材料的隔聲效果受到材料結構、厚度、孔徑大小以及聲波入射角度等因素的影響，因此需要進行合理的設計和優化，才能達到最佳的隔聲效果。
一、搭建模型
中間位置為薄膜包覆的質量塊結構
二、網格劃分
應力分布
傳遞損失曲線
透射系數曲線
在隔聲谷位置的透射系數很高。
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展開 
基于comsol熱黏性聲學模塊仿真聲學超材料的聲學特性
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 用于寬帶低頻聲衰減的復合聲學超材料
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。
展開 【每日新文】基于折紙的可調寬帶聲衰減聲學超材料
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的聲衰減特性。 通過利用手風琴折紙的單自由度特性，可以很容易地通過壓力來調節OBAM的聲音衰減。 采用傳遞矩陣法對OBAM的TL進行了解析計算，并與有限元法和聲阻抗法的計算結果進行了比較。結果表明，理論方法、數值方法和實驗方法具有良好的一致性，并且在中低頻段內可以通過壓力來方便地定量地調諧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范圍內可達500 Hz,其中以λ為工作波長的OBAM厚度僅為1/18-1/6λ，顯示了OBAM在亞波長下強大的寬帶低頻消聲能力。此外，所提出的OBAM允許氣流滲透，具有很高的設計靈活性和可編程性，并且保持尺度無關、實時調整和不需要復雜的控制算法。 本研究為高效通風的有效可調諧寬頻帶隔聲衰減設備奠定了基礎。
OBAM的幾何設計：(A)聲學超材料的兩個主要部分，包括折紙諧振腔和波導管;(B)折紙諧振器的組成，由手風琴折紙、剛性上板、底座、密封腔組成；(C)手風琴折紙單元格的二維折痕圖和三維拓撲構型，左面板為二維折痕圖，右面板為三維拓撲構型。
OBAM原型的制作：(A)制作工藝，主要包括八個步驟。前7步是制作折紙諧振器原型，最后8步是形成OBAM原型；(B)一個典型的折紙諧振器原型的放大視圖，頂部有一個進氣軟管；(C)組裝折紙諧振器和波導管，形成OBAM原型。
展開 基于comsol進行共振薄膜聲學超材料的模態分析
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 HBK網絡研討會 | 3月18日聲學材料測試，點擊立刻報名
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研討會主題：
聲學材料測試
研討會內容：
混響室法吸聲系數測量
阻抗管法吸聲系數測量
實驗室法隔聲系數測量
阻抗管法隔聲系數測量
阻抗管擴展應用
研討會時間
2025年3月18日（周二）下午14:00-15:00
費用 免費
備注
研討會將通過網絡直播的方式進行，請自備具備上網條件的電腦
點擊這里，或掃描二維碼，即可報名
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展開 comsol 聲學超材料、聲子晶體等案例出售
聲學超材料，拓撲聲子晶體，高斯波束，聲學超通，壓電，微流體，能帶、帶隙 部分課程視頻+案例 【閑魚】https://m.tb.cn/h.g0GQqLC?tk=JNVxWsRPl66 CZ3452
“新四化”背景下汽車NVH的發展趨勢
圖5 多通道Command-FxLMS算法原理框圖
聲學超材料主動降噪充分利用了超材料功能化的原理，通過外部激勵來實現聲學超材料等效參數的主動調節，實現隔聲性能的主動可控，從而更加適應復雜的聲學環境，目前主要有四種結構，第一種是壓電薄膜式，通過外加電壓改變壓電材料剛度，從而調整這個結構的抗彎剛度，最終實現對目標頻段的控制[5]；第二種是基于磁流變的主動聲學超材料，通過調控磁場實現對聲學超材料隔聲量和隔聲頻段的調節[6]；第三種是通過改變聲學超材料薄膜之間的氣壓，對聲學超材料的隔聲性能進行主動調控[7]；第四種是通過輸入不同強度的電流改變結構剛度，實現聲學超材料聲學性能的主動調節[8]。
隔振手段智能化，汽車的主動懸置主要通過調節減振器的阻尼系數來實現減振的目的。目前主動懸置主要有傳統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/磁場的控制下可以改變其形態，從而達到改變阻尼力的目的，最終可以對振動進行主動控制。
圖6 多孔電流變液懸置
3.4 聲學包超材料化
與傳統聲學材料相比，聲學超材料具有更小的結構尺寸和更高的能量耗散率[10]，對低頻段噪聲具有良好的吸聲性能，這一特性可以彌補傳統聲學材料的不足。
研究表明，三明治薄板結構的聲學超材料在薄板厚度均為1 mm時可以在低于500 Hz的頻段內獲得高達35 dB的隔聲量[11]，在帶寬超過200 Hz的頻段內具有20 dB以上的隔聲量。有的膜類帶腔聲學超材料在200-1000Hz范圍內具有連續的吸聲寬帶，其吸聲效果如圖7所示，其平均吸聲系數為80%左右，最大吸聲系數接近100%，具有相當優異的吸聲性能。
展開 
聲學包：吸聲隔聲材料的應用
圖5 混響－消聲室法
三、 吸隔聲材料組合應用
車身上的聲學包裝結構多數是吸收材料和隔聲材料在一起的組合應用，如前壁板隔聲墊、地毯、以及目前被很多豪華車采用的靜音鋼板等。如下圖的前壁板聲學結構由四層組成：鋼板隔聲層+吸聲層+隔聲層。
圖6 前壁板聲學結構
目前，在電動化的大趨勢下，對于輕量化吸隔聲材料的研究越來越深入，如九大參數對于材料聲學性能的影響，材料級到整車級的仿真等，各大主機廠和供應商都展開了深入的研究并擁有了大量的數據和寶貴的經驗，也切切實實的為正向開發付出著自己的汗水和努力。
作者：劉曉軍 來源：品質內外飾公眾號
展開 2017年4月18-19日，上海，聲學仿真與測試研討會
會議亮點：
涵蓋聲學測試與仿真、聲功率、聲源定位、聲品質、聲學材料等方面的聲學工程基礎
深入了解和解決電動汽車/混合動力汽車的電機、整車外場NVH問題
特邀西門子STS全球振動噪聲仿真產品經理，比利時專家主講
理論與工程實踐相結合，同中外聲學專家現場交流，針對您實際工作中遇到的問題答疑解惑
隨著噪聲和振動方面的法規要求日漸嚴格，NVH工程設計面臨的壓力也越來越大。為幫助國內工程師提升振動噪聲測試和仿真技術的理論知識和應用水平，Siemens PLM Software將在上海舉辦為期2天的聲學仿真與測試研討會，此次研討會將對重要聲學概念、現象原理、系統方法以及振動噪聲控制手段等相關聲學工程進行系統培訓，對廣大噪聲控制和聲學仿真研究人員，夯實聲學相關理論和應用會有很大幫助。此外，培訓將以新能源汽車行業應用為藍本進行應用講解，其建模分析方法同樣可以擴展到工程機械、船舶重工、軍用車輛、電力行業、能源設施等行業。
在這兩天的專題培訓中，我們將從振動和聲學基礎講解開始，介紹聲功率、聲源定位、聲品質、聲學材料等方面的聲學工程基礎。結合汽車行業，從汽車艙內NVH特性展開，介紹如何通過混合仿真（有限元及試驗）的方法確定電機系統激勵和表面振動特性，如何進行有效的對電機建模，如何建立系統級整車混合模型并進行優化，以及整車外場通過噪聲及行人警示音的設計。在這個過程中，您還可以針對您工作中遇到的問題現場同中外聲學專家答疑解惑。
展開 一鍵聚焦！自主研發噪聲仿真軟件ProNas如何解決中高頻噪聲難題
結構、聲場、聲學材料一并解決；只需簡單粗化的有限元網格，計算效率高。
（3）直觀的后處理
直觀顯示結構振動速度、能量及能量密度在結構上的分布
直觀顯示聲腔聲壓級、能量及能量密度在聲腔空間或體單元中的分布
快速直觀地找到結構振動及噪聲輻射的熱點
（4）界面友好，易于操作
ProNAS用戶操作界面
ProNAS后處理界面
ProNas應用案例
ProNas的應用領域包括：汽車、船舶、軌道車輛、航空航天、汽車零部件、起重機械、家用電器、聲學材料、通用機械、環境保護、建筑聲學設計等。
①汽車整車聲學響應分析
② 散射激勵輸入下的空氣傳播噪聲分析
③ 高鐵機車結構噪聲與空氣噪聲分析
④船舶結構噪聲與空氣噪聲仿真分析
結論概述
混合EFEA-SEA 技術和基于能量有限元法的工程開發與應用，能夠破解傳統能量有限元技術很難廣泛和深入應用于實際工程項目的困局，為用戶帶來實際的應用價值。
1、噪聲振動控制與優化，確定產品性能滿足設計要求。
2、優越的核心算法帶來更加高效的計算效率及精確的仿真結果。
3、提供聲學傳遞路徑功能，確定滿足噪聲振動要求的最佳設計。
4、聲學包設計，用戶可自由輸入聲學包材料參數進行數據的分析。
5、通過提供編程接口及外部編程語言，方便用于當前設計過程，保證長期的投資回報。
6、可用于確保和優化聲學包的NVH性能，減小成本和重量，縮短研發時間。
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
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）。
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，并具有較寬的相對吸收帶寬。
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