實驗名稱：聲學(xué)超材料以及拓撲聲學(xué)的研究

實驗?zāi)康模河捎谛枰业轿曅阅芘c通風(fēng)性能之間一個合適的平衡，高效吸收低頻聲音(<1000Hz)在保持流體自由流動的同時仍然是聲學(xué)工程中的重大挑戰(zhàn)。盡管聲學(xué)超材料的不斷發(fā)展釋放了前所未有的可能性，并且已經(jīng)提出了各種超材料吸收器，但它們中的大多數(shù)僅在沒有背散射的情況下才能充分發(fā)揮作用。不幸的是，由于聲波是一種縱波，這種情況需要完全阻塞流體通道，這使得它們可以穿透任何小孔。否則，它們的吸收性能可能會大大降低，通常不能超過50%。吸收和通風(fēng)性能之間的這種基本權(quán)衡無疑限制了它們在需要自由氣流的日常情況下的應(yīng)用。盡管研究者已提出了一些具有較大傳輸損耗的通風(fēng)聲屏障，但它們僅僅只是反射了聲波做到隔絕聲音，但這些聲波仍然存在。在此，為克服這些困難，我們提出并通過模擬和實驗驗證了一種超開放式通風(fēng)超材料吸收器。實驗證明，針對低頻聲音的吸收器可同時確保高性能的吸收和通風(fēng)。我們通過耦合損耗的有效模型解釋這種諧振腔的機制。此外，吸收器可以根據(jù)吸聲系數(shù)與極限厚度的因果律為原理，進行簡單地堆疊，使其能在定制的寬帶中工作的同時保持良好的通風(fēng)性能。

測試設(shè)備：ATA-304C功率放大器、數(shù)據(jù)采集分析儀、揚聲器、麥克風(fēng)等

實驗過程：

使用3*3晶格陣列排布的UVMA單元作為框架組裝在一起，構(gòu)成了類似吸聲墻的超材料吸收體，如圖2.1(a)所示。對于這晶格排列的超構(gòu)材料，在其上方特別大的空腔允許背景流體(如空氣或水)通過自由流動通過結(jié)構(gòu)。在本文提到的研究中，我們假定該結(jié)構(gòu)浸沒在空氣中。而為了同時實現(xiàn)對于低頻聲波的高效吸收和氣流的自由流動，入射到UVMA單元上的聲波應(yīng)被完美吸收。對于單個的UVMA超胞單元組合成一個矩形格子中，沿x和y方向的晶格常數(shù)分別為L/4和L，由四個UVMA單元組成，如圖2.1(b)所示。對于單個UVMA單元的細節(jié)，我們通過取下蓋子的方式對UMVA單元的詳細信息進行展示，如圖2.1(c)所示。每個UVMA單元由兩個對稱放置的分流管諧振器組成，并通過連接它們之間的窄縫形成弱耦合。單個UVMA單元在xz平面上的剖面圖展示了結(jié)構(gòu)相同但方向相反的裂口管諧振器，如圖2.1(d)所示。我們確定了UVMA超構(gòu)材料的適當(dāng)幾何參數(shù)，以使該結(jié)構(gòu)在對于低頻聲波具有最佳的吸收和通風(fēng)性能。

用圖2.1.(e)所示的設(shè)置對它們的吸收性能進行實驗驗證，所有聲學(xué)測量均在四邊形阻抗管中使用普通的四麥克風(fēng)雙負載方法進行。阻抗管由兩個鋁制方管(內(nèi)截面為147×147mm2，管厚度為5mm)，一個全頻揚聲器(中國，M5N，HiVi)組成，四個麥克風(fēng)(中國，BSWA，MP418)，功率放大器(中國，Aigtek，ATA304)和數(shù)據(jù)采集分析儀(中國，BSWA，MC3242)。鋁管的平面波截止頻率為?1100Hz。兩個鋁管的長度分別為600mm和400mm。使用厚度為4mm的夾緊鋁板作為剛性背板，以模擬聲學(xué)硬邊界端接。拆下背部的鋁板后，管中的聲音會散發(fā)出外界，從而模擬出開放邊界的聲學(xué)終端。它們在測量中充當(dāng)兩個不同的終端負載。

圖2.1.(a).以矩形點陣排列的UVMA超胞組合示意圖。(b).UVMA超胞單元的示意圖，它由四個UVMA單元組成，沿x(y)方向的晶格常數(shù)分別為L(L/4)。(c).單個UVMA的透視圖，如(b)中的虛線矩形所示部分。為了演示其內(nèi)部細節(jié)，我們旋轉(zhuǎn)了結(jié)構(gòu)并卸下了兩端蓋板。(d).在xz平面上UVMA單元的剖面示意圖。(e).用于聲學(xué)測量的實驗裝置。阻抗管的橫截面為正方形(147×147mm2)，并采用標(biāo)準(zhǔn)的四麥克風(fēng)方法進行測量。插圖顯示了放置在阻抗管中的已加工樣品的照片。

為驗證樣品吸聲率與參數(shù)關(guān)系的模擬結(jié)果，我們在聲波管中然后進行UVMA單元聲學(xué)特性的實驗測量。我們只做并研究了兩種UVMA樣品，分別標(biāo)記為這兩種樣品為樣品I。樣品I與樣品II的開口率(開放面積)為分別為72.8%和69.4%。如圖2.3.(a)中顯示了我們通過四麥克風(fēng)法所測得的這兩個樣品的透射率和反射率(虛線)，與模擬結(jié)果(實線)非常吻合。反射譜和透射譜都在共振頻率附近出現(xiàn)下降，這意味著UVMA超構(gòu)材料在共振頻率處高效吸收。如圖2.3.(b)所示，模擬吸收和測量吸收的結(jié)果表明彼此之間存在著一致性，很好的吻合在一起。在實驗中，對于樣品I與樣品II，如紅色與紫色的箭頭所示，分別在637Hz與472Hz下測得的吸收率達到93.6%和97.3%。作為參考，還測量了兩種三聚氰胺吸聲泡沫(BasotectG+，德國巴斯夫)的聲學(xué)性能。它們被標(biāo)記為泡沫I和泡沫II，分別具有與樣品I和樣品II相同的尺寸，并且將它們的吸收譜在圖2.3.(b)中以灰色實線進行了繪制。與市場上優(yōu)質(zhì)的吸聲泡沫相比，UVMA單元在低頻共振附近有卓越的聲學(xué)吸聲性能。

實驗結(jié)果：

如圖2.3.(d)所示，兩個諧振器在諧振時的聲壓表現(xiàn)出90°的相位差。此相位差表明對于其對稱面(z=0)可以看作是引入了180°相位差的聲學(xué)軟邊界和引入了0°相位差的聲學(xué)硬邊界的疊加。我們使用COMSOL僅對UVMA單元的一半進行仿真模擬，分別以聲學(xué)軟邊界或硬邊界為終止條件。發(fā)現(xiàn)單個UVMA單元的吸收是對稱和反對稱的UVMA單元的一半的平均值，因此證實了該解釋是準(zhǔn)確的。由于硬聲和軟聲邊界都充當(dāng)背散射條件，它們會引起入射聲音的多次散射，從而使兩個單獨的分流管諧振器的諧振模式混合。這種耦合是獲得有效吸收的關(guān)鍵。此外，由于在硬邊界和軟邊界之間反射的波具有180°的相位差，因此它們往往會相互抵消，從而確保了在雙端口的通風(fēng)情況下接近完美的聲吸收。

圖：ATA-304C功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇