文摘

高效、宽带小型化隧洞结构声学性能减少仍具挑战性声学工程应用的矛盾减少通风和隔音性能。传统声学吸收器可以充分减弱声波,但与此同时,阻止流体由于纵向声波的性质,可以传输中任何小洞。尽管不同类型的通风超材料吸收器(vma)通过适当的减少和通风性能最近证实,其不足在于开放区比率小,没有足够高效性能,减少庞大的结构,狭窄的工作频带。进一步解决现有缺陷,通风宽带和小型化超材料吸收器结构提出了。小型化的设计吸收器由阿基米德螺旋单元,它可以很容易地堆叠实现宽带和通风性能。这项工作开辟了可能性为实际声学应用噪声控制和通风都是必需的,尤其是在一个小空间。

1。介绍

在过去的十年中,许多类型的声学超材料吸收器设计解决内在问题减少传统的声学材料在处理宽带声学,尤其是低频范围(1- - - - - -4]。与传统的多孔材料相比,特殊设计的超材料可以产生高效降噪弹性工作频率(5- - - - - -10]。他们经常自己的定制结构,可以安装在窄和潮湿的空间控制噪音sound-silent环境的要求。然而,在日常生活和工业产品,与背景噪声通常是流体,特别是在左右喷嘴湍流,导管、涡轮机、和空调(11- - - - - -14]。畅通的传递的要求使得许多以前的超材料吸收器无能,他们只工作充分在密封条件下,虽然声音可以穿透非常小洞1- - - - - -4]。否则,自由通行证洞或渠道的存在将大大降低减少声学性能(15- - - - - -17]。

最近,提出了几种类型的vma和分析(17- - - - - -26]。然而,他们减少和通风性能仍不满足实际应用场景,其中一些可以平衡不同需求如降噪,液体通风,安装空间有限,和宽带工作范围。具体来说,不同类型的设计及其相关的不足已经大致分为三个类别,列出如下。一些研究人员(18,25)使用耦合的亥姆霍兹谐振器阵列,取得了良好的性能在高频段,这也证实了实验。一些研究人员(17,19,21)使用更复杂的耦合薄膜谐振器或减少rainbow-trapping谐振器,取得了良好的声学性能,但只有小空地比率,没有显示良好的通风性能。其他研究人员(20.,24]设计了空心管阵列穿孔与deep-subwavelength microperforations或混合薄膜谐振器,他们都拥有良好的通风性能但没有足够高效声学性能降低,特别是在宽带范围。相比之下,一些新奇的通风声屏障(27- - - - - -33)并实现高效通风风速比(> 60%)和声学反射(> 90%)以相对较低的频率,但与此同时,仍然无法避免的缺点狭窄的工作频率和相对笨重的结构。性能不足对现有VMAs系统属性来一些原因,如严格减少通风和声学性能之间权衡和内在功能有效的亚波长散射(34),特别是在低频率。因此,能够打破现有的限制,实现减少小型化宽带吸收剂具有良好的通风和声学性能起着关键作用在许多声学应用场景噪声控制的喷嘴,导管、涡轮机、和空调,一般用于汽车和建筑物。

在这项工作中,通风与小型化宽带声学吸收器螺旋除超材料晶格阵列提出了。弱耦合的超材料晶格阵列由阿基米德螺旋谐振器,分析了不同的单元组合,达到优化相比减少通风和隔音性能。导致优化设计的超材料的堆积是数值和实验证明。extralong内部波导由阿基米德螺旋配置提高目标性能和工作频率范围宽的相对小型结构(一个单元的宽度可以约10毫米)。复杂的spiral-generated长波导VMAs系统设计提供了一种新的图有效。这个设计步骤进一步实际应用环境噪声控制的覆盖着流动的液体如流管道、排气帽兜和空调。

2。原型设计和主要的解释

因为它是图所示1,设计一系列的VMA单位三个阿基米德螺旋单元组装的不同组合。数据1 (b)和1 (e)三维原型模型,而数据吗1(一)和1 (d)相应的3 d打印产品,由环氧树脂制作和调整是用于测试的阻抗管(补充材料)可以找到更多的细节。大差距上下阿基米德螺旋单元的框架允许流体流动。此外,设计VMA单位不需要被打包在一个特定的亥姆霍兹共振器或一个矩形结构,这意味着它是灵活的,在任何需要的设备或结构实现要求减少通风和隔音性能。在这部作品中,结构是假定沉浸在空气中。数据1 (c)和1 (f)显示的水平截面超材料阵列,由三个VMA单位。长度l= 35毫米和厚度h₁= 0.5毫米,h₄= 0.75毫米,h₅= 15毫米是固定值,而距离的值h₂和h₃是可调节的几何参数。阿基米德螺旋的控制方程描述 (毫米) (毫米)。在图1 (c)被指示为,彻底的结束点 , ,和 为相应的左螺旋,螺旋,螺旋,分别。所有制服螺旋单元数组形式的图1 (f)在接下来的段落使用左旋在图的大小相同1 (c)。这项工作还将优化self-segmentation数组(见补充材料),螺旋旋转方向,相邻螺旋之间的距离实现宽带和小型化的影响。

调查的影响不同的优化方法减少声学性能的影响规律设计,全波数值模拟进行使用COMSOL多重物理量(详细设置中可以看到补充材料)。在这里,声学换算系数(R)被定义为 ,在哪里Tc被定义为透射系数。请注意,这两个R和Tc绘制振幅和不是的声能在以下数据,显然为了减少声学性能的曲线进行比较。如图2(一个)的价值,R作为矩形通道的变化频率与一个阿基米德螺旋单元绘制,和插图显示了峰值频率的声压分布。单元的宽度可以10毫米左右,虽然第一共振频率是1316 Hz,这意味着波长特征维数是26倍。此外,在图2(一个),我们可以看到,声能强烈本地化deep-subwavelength单元,有效减少频率范围(R可以约50 Hz > 0.5)。同样的阿基米德螺旋单元阵列和逆转阵列如图2 (b),我们几乎不能告诉声降低系数区别相同的数组和middle-reversed数组,这意味着转动方向不会影响减少这种类型的VMAs系统的性能。声能的主要部分是锁定在第一单元,和相关的有效频率范围可以约160赫兹。这意味着,即使是一个螺旋单元可以实现良好的声学性能和保持良好的通风性能,减少边界之间的差距和边缘的单位是足够大的流体流动。

3所示。螺旋单元组合和理论分析的影响

图3显示了优化相邻螺旋之间的距离,实现宽带和小型化的影响。图3(一个)显示距离的不同组合h₂和h₃,所有的仿真结果与试验数据相结合的“9.75 -22毫米”数组,其特定的配置和尺寸如图1 (c)。如图3(一个),我们可以清楚地看到“9.75 -22毫米”数组的组合显示最好的声学性能,减少也在实验中验证,实验数据很适合这个数组的仿真数据。此外,如图3 (b)相关的结构,所有显示四个峰值频率点的压力分布。851赫兹的声波能量是本地化第三螺旋单元,作为声学源放在左边,和相应的有效频率范围在于减少840 - 875赫兹,这表明在这个deep-subwavelength数组减少低频性能好。1316赫兹的声波能量是本地化第二螺旋单元,减少相应的有效频率范围是1291 - 1403赫兹,与此同时,由于第二个和第三个循环之间存在弱耦合单元,减少一些程度的声学所示第一批两个峰值频率的能力。2292赫兹的声波能量是本地化的螺旋装置,减少相应的有效频率范围是2190 - 2366赫兹,和由于第一和第二螺旋之间存在弱耦合单元,减少相对良好的声学性能显示在第二个和第三个峰值频率。2554赫兹的声波能量局部在第一和第三个螺旋单元和相应的有效频率范围在于减少2525 - 2808赫兹。因此,结合“9.75 -22毫米”varied-unit数组显示最好的声学性能和减少可以被认为是一个宽带小型化的影响。

执行的理论描述传递矩阵法(TMM) [35,36),包括声压 ,声粒子速度 ,和转移矩阵 。为简单起见,在这种设计中,假定材料包含一个数组我层self-segmentation螺旋单元,每个单元设置占据的空间 。然后,我们可以建立两个相邻螺旋之间的传递矩阵单元空间 ,的位置为每个单元空间表示米在左边,n在右侧,如图1 (b)。当阿基米德螺旋阵列声波传输的通道,thermoviscous效应应该考虑在理论分析和数值模拟过程中,由于存在粘度的微小结构。thermoviscous效果可以表现为复杂的波数和有效的阻抗 。所以,一般的表达式可以写成

传递矩阵可以通过使用解决的结果吗COMSOL多重物理量,因为varied-unit的存在复杂的螺旋结构。所有的细节都显示在图4(一),周期性边界条件应用于两条边的通道。进一步研究这个理论模型,我们可以我th螺旋独立单元的超材料系统和应用正弦thermoviscous声压信号。假设压力( , )和速度( , )从仿真结果可以获得,所有相应的变量可以书面的形式 , , 和 ,最后,我们有 在哪里 。每个单元的传递矩阵空间可以确定在这种类似的方法,所以整体传递矩阵可以写成T]= [T₁][T₂][T₃),.......,(T_我]。在这里,传统的吸收系数可以进一步根据派生而来 ,与 ,在哪里和是组成部分T),空气的特性阻抗。

4所示。通风性能分析和讨论

通风性能验证数据4 (b)和4 (c)。气流速度场的“9.75 -22毫米”varied-unit数组显示在图4 (b)。气流沿着边界的差距可以直接传播,甚至当通道被阻塞的重要组成部分。在图4 (c)沿着通道高度,速度剖面h₅显示,我们只能看到小速度差异之前和之后的设计结构。因此,它证明了我们的设计,即使是最阻塞,可以实现高效的通风,同时保持宽带小型化结构声学性能降低。

通风宽带声学吸收器小型化超材料晶格阵列,提出和证明。弱耦合的超材料晶格阵列由阿基米德螺旋谐振器,分析了不同的单元组合,达到优化相比降低性能。VMAs系统减少性能的关键因素之一是小不同的螺旋单元之间的耦合,从而导致轻微的共振峰合并不同的模式。extralong内心的另一个关键因素是存在波导形成的阿基米德螺旋配置,可以提高目标性能和自己的一个宽工作频率范围相对缩小结构。复杂的spiral-generated长波导VMAs系统设计提供了一种新的图有效。此外,空间和几何参数可以调整有效减弱声音在宽带范围内同时保持良好的通风性能。这个设计克服了之前的吸声结构的限制,进一步加强实际应用请求的噪声控制和通风,如流管、排气帽兜,和空调,尤其是在小空间的应用场景。

数据可用性

相关数据用于支持本研究的结果包括在本文和补充材料。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢金融支持中国的国家自然科学基金(批准号。51805086,51805086,52005116),福建省自然科学基金(批准号2019 J01210),福建省卫生和教育的联合攻关计划项目(批准号2019 - wj - 01)。

补充材料

(1)声学测试系统和模型制作。(2)模拟的细节。(3)压力分布的峰值频率优化螺旋单元数组。(4)减少声学性能self-segmentation螺旋单元数组。(补充材料)