實驗名稱：聲學超材料以及拓撲聲學的研究

實驗目的：由于需要找到吸聲性能與通風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工程中的重大挑戰(zhàn)。盡管聲學超材料的不斷發(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用。盡管研究者已提出了一些具有較大傳輸損耗的通風聲屏障，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。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，所有聲學測量均在四邊形阻抗管中使用普通的四麥克風雙負載方法進行。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(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終端。它們在測量中充當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).用于聲學測量的實驗裝置。阻抗管的橫截面為正方形(147×147mm2)，并采用標準的四麥克風方法進行測量。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單元聲學特性的實驗測量。我們只做并研究了兩種UVMA樣品，分別標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)的聲學性能。它們被標記為泡沫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°相位差的聲學軟邊界和引入了0°相位差的聲學硬邊界的疊加。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確的。由于硬聲和軟聲邊界都充當背散射條件，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情況下接近完美的聲吸收。

圖：ATA-304C功率放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇