复合声学超材料低频吸声机理及宽频优化设计

Motivated by the common demands in practical noise suppression in cabins of various equipments, this project aims at developing of light and thin acoustic metamaterials for improving the low frequency sound absorption with a broad band, which is based on the recent development of the metamaterials within this domain where the practical applications are still limited. We use theoretical analysis together with numerical simulation and experimental test to 1) design new multi-mechanism structures of composite acoustic metamaterials; 2) analyze the coupling, damping and wide band absorption condition of acoustic wave in composite meta-structures within the low frequency domain, and reveal the absorption mechanisms of the composite metamaterials under different conditions; 3) understand the parametric effects of absorption and get the mapping relation between the composite meta-structure and the absorption; 4) optimize the composite structure to get low frequency and broadband absorption under the limitations of density, thickness and so on, and achieve the best matching between the acoustic metamaterial and the air host, and gain optimized absorption. All the work will form an ideal design means of new acoustic metamaterial with low frequency and wideband absorption and lay basic theoretical foundation for engineering applications.

本项目针对舱室降噪对轻薄材料低频宽带吸声的共性需求，针对现有声学超材料吸声应用基础研究欠缺的问题，在现有声学超材料低频吸声研究成果的基础上，将理论分析、仿真计算和实验测试相结合，设计多机理耦合声学超材料复合结构，分析低频长波声场与声学结构间的声耦合、声耗散和宽频吸声条件，深入揭示不同边界条件下复合声学超材料吸声机理；掌握参数影响规律，探明复合声学超材料结构与吸声性能的映射规律。在密度、厚度等约束条件下开展复合声学超材料低频、宽带吸声优化设计，实现声学超材料等效输入阻抗与空气阻抗的最佳匹配，形成具有低频宽带吸声性能的声学超材料设计方法，为声学超材料的吸声应用奠定理论和技术基础。

本项目针对装备舱室降噪对轻薄材料低频宽带吸声的共性需求，在现有声学超材料低频吸声研究成果的基础上，将理论分析、仿真计算和实验测试相结合，设计多种声学超材料复合结构，深入揭示不同边界条件下复合声学超材料吸声机理，并开展复合声学超材料低频、宽带吸声优化设计。项目的主要研究内容和成果包括：.1．构建了一种基于周期耦合微缝的薄层低频吸声超材料，建立了其吸声分析方法。阻抗和复反射系数分析结果均表明，超材料阻抗在完美吸声峰频率处和空气完全匹配，微缝与空气的摩擦损耗形成其能量耗散，其低频吸声得到了实验验证。.2．证实了相同厚度条件下，空间折叠超材料相比传统亥姆霍兹共鸣器能够实现更低频吸声。深入揭示了超材料低频吸声机理：在单元共振频率处，超材料阻抗与空气匹配，超材料在共振频率处与声波完美临界耦合，声波能量通过穿孔域的粘性摩擦耗散。提出了保持超材料总体厚度时的吸声峰频率调谐方法，超材料整体厚度波长比可小于1/80，并得到了实验验证。.3．将空间折叠结构和多孔泡沫材料有效结合，设计了一种泡沫复合空间折叠超材料。揭示了其共振频段存在的负体模量和低声速效应，其有利于超材料低频吸声。提出了协同改变结构和材料参数进行超材料吸声峰调谐的方法，相关结论得到了实验验证。.4．设计了基于弹性微穿孔板、局域共振结构和多孔材料的多机理耦合柔性声学超材料。通过输入阻抗、位移场及振动分析，深入揭示了超材料在刚性和柔性背衬条件下的吸声机理，掌握了参数影响规律。设计样品并完成了相关实验验证。.5．建立了基于差分进化算法和理论/有限元相结合的声学超材料吸声性能优化方法。以典型声学超材料为对象，分别在刚性和柔性背衬条件下，通过多局域共振单元并联优化设计，有效提升了复合超材料1kHz以下的吸声带宽。. 这些研究工作和创新成果为声学超材料深入研究及其推广应用于重大装备舱室吸声降噪打下良好基础。