Materials Horizons：通过软物质构造人工声学软边界实现宽带吸声增强- 大数跨境

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Materials Horizons：通过软物质构造人工声学软边界实现宽带吸声增强

两江科技评论

2022-02-15

导读：近日，西安交通大学机械工程学院马富银副教授课题组和朱子才副教授课题组提出一种在腔体类吸声结构内壁敷设软物质层，充当人工构造的声学软边界，用以降低局部声速和声反射率的吸声性能增强方法，在较宽频带内实现了

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，西安交通大学机械工程学院马富银副教授课题组和朱子才副教授课题组提出一种在腔体类吸声结构内壁敷设软物质层，充当人工构造的声学软边界，用以降低局部声速和声反射率的吸声性能增强方法，在较宽频带内实现了吸声性能的有效增强。相关研究成果以“通过软物质增强宽带吸声”（Enhancing of broadband sound absorption through soft matter）为题，发表在《Materials Horizons》[Mater. Horiz., 9, 653-662, 2022]上，并入选当期外封底（Outside back cover）。西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯单位，马富银副教授为第一作者，马富银副教授和朱子才副教授为共同通讯作者。

图1 宽带吸声增强效果和类等离子体激模式吸声耗能机理示意图

图2 文章封底艺术效果图（软物质相当于一种声学泥沼，使得入射声波难以反射）

研究背景

噪声是一种在日常工作和生活中广泛存在的重要的环境污染，尤其是低频噪声，具有穿透力强和难以衰减的特点。对于现代家用机械和电子产品、以及载运工具等装备而言，有效控制噪声，特别是低频噪声，显得非常重要。通常，噪声可以在传播路径上进行衰减，这是目前较为广泛采用的方法，具体又包括隔声和吸声两种方法。其中，吸声方法可以直接将声能转化为热能或弹性应变能而损耗掉，被广泛应用于各类厅堂和舱室等封闭或半封闭空间中进行声场控制。常用的传统吸声材料有以玻璃棉为代表的纤维多孔材料、以岩棉为泡沫多孔吸声材料和微穿孔板吸声体等。这些传统吸声材料或结构的低频吸声性能较差，一般需要厚度接近最低频率对应波长的1/4才能实现有效吸收。超材料的发展为具有亚波长厚度的低频吸声结构设计提供了新的可能，重新激发了吸声结构研究的热潮。常用的拓宽吸声带宽的方法可以概括为三种。第一种方式也是最常用的一种方式是通过参数梯度分布的多个元胞之间的并联式协同叠加；第二种方式是通过元胞间的强耦合相互作用，增加集成结构的共振模式数量；第三种方式是通过不同类型的吸声结构之间进行并联式协同叠加。采用上述这些方法进行吸声结构设计，如果要拓宽低频吸声带宽，则需要增加厚度方向或面内的结构尺寸。因此，对于空间受限的应用而言，实现宽带吸声依然存在挑战。

研究表明，通过减小结构与声传播媒介之间的阻抗失配程度，即实现阻抗匹配，或降低声传播速度，均可以提高吸声结构的吸声性能。事实上，这种效果也可以通过声学软边界来实现。考虑到在空气中，软物质的特性阻抗与硬材料的相比，和空气更接近，且声速较低。为此，研究团队以柔软的材料界面来替换吸声结构中的硬声场边界，构造了一种新型声学软边界，在较宽频带内有效增强了吸声性能。

创新研究

研究团队首先研究了两种腔体型吸声结构，对于如图3a所示的单孔吸声结构，在腔体底面敷设一层PVC凝胶层，从图3b的计算结果可以看出，敷设软物质层后，吸声峰的位置有效向低频偏移，吸声系数也有较大幅度的增加。从图3b的插图中吸声峰处的位移场云图可以直观看出，这种吸声增强效果是由软物质层所产生的类等离子体激模式振动导致的。对于如图3c所示的环形孔吸声结构，在腔体底面和侧壁均敷设一层PVC凝胶层，从图3d的计算结果可以看出，敷设软物质层后，在整个计算频带内，吸声性能都得到了大幅增强，直观地展示出低频宽带吸声增强效果。

图 3 两种腔体型吸声结构和吸声增强效果

随后，作者研究了软物质层厚度和刚度对吸声增强效果的影响，表明随着凝胶层厚度的增加，吸声峰和有效吸声频带会向低频偏移，且有效吸声带宽变窄；而随着凝胶层刚度的增加，有效吸声频带会向高频偏移，吸声系数不断降低，当凝胶层的弹性模量增加至10KPa以上时，吸声性能和不敷设软物质层的结构接近。紧接着，作者制备了凝胶层和吸声样品，并测量了凝胶的弹性模量，如图4所示。

图 4 凝胶层和吸声样品制备

通过阻抗管测量了吸声性能，并和有限元仿真计算结果进行了对比，如图5所示。从图5c可知，一方面，仿真计算结果和测试结果趋势吻合较好；另一方面，测试结果同样表明，相比于环形孔结构的对照组（S1），敷设软物质层后的吸声结构（S2）的吸声系数在整个测量频带内都得到了较大幅度的提升，展现出优异的宽带吸声增强效果。