實驗名(ming)稱：聲學(xue)(xue)超材料以及(ji)拓撲聲學(xue)(xue)的研究

　　實(shi)驗(yan)(yan)(yan)目的(de)(de)(de)(de)(de)：由(you)于需要(yao)找到吸(xi)(xi)聲(sheng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)與通(tong)風(feng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)之間(jian)一(yi)個合適的(de)(de)(de)(de)(de)平衡(heng)(heng)，高效吸(xi)(xi)收低(di)頻聲(sheng)音(<1000Hz)在(zai)(zai)保持流體自由(you)流動的(de)(de)(de)(de)(de)同時仍(reng)然是(shi)聲(sheng)學工程中的(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)大(da)(da)挑戰。盡(jin)管聲(sheng)學超(chao)(chao)材料的(de)(de)(de)(de)(de)不斷發(fa)展釋放(fang)了前(qian)所未有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)能(neng)(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)，并且已經提出了各(ge)種超(chao)(chao)材料吸(xi)(xi)收器，但它們中的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)(da)多數僅(jin)在(zai)(zai)沒(mei)有(you)背散射的(de)(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下才能(neng)(neng)(neng)充分發(fa)揮作(zuo)用。不幸的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，由(you)于聲(sheng)波(bo)是(shi)一(yi)種縱波(bo)，這(zhe)種情況(kuang)需要(yao)完全阻塞(sai)流體通(tong)道(dao)，這(zhe)使得它們可(ke)(ke)以穿(chuan)透任(ren)何小(xiao)孔(kong)。否則，它們的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)可(ke)(ke)能(neng)(neng)(neng)會大(da)(da)大(da)(da)降低(di)，通(tong)常不能(neng)(neng)(neng)超(chao)(chao)過50%。吸(xi)(xi)收和通(tong)風(feng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)這(zhe)種基本權衡(heng)(heng)無(wu)疑限制了它們在(zai)(zai)需要(yao)自由(you)氣(qi)流的(de)(de)(de)(de)(de)日常情況(kuang)下的(de)(de)(de)(de)(de)應用。盡(jin)管研究(jiu)者已提出了一(yi)些(xie)(xie)具有(you)較大(da)(da)傳(chuan)輸損耗(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)通(tong)風(feng)聲(sheng)屏障，但它們僅(jin)僅(jin)只(zhi)是(shi)反射了聲(sheng)波(bo)做到隔絕聲(sheng)音，但這(zhe)些(xie)(xie)聲(sheng)波(bo)仍(reng)然存在(zai)(zai)。在(zai)(zai)此，為克服這(zhe)些(xie)(xie)困難，我們提出并通(tong)過模(mo)擬(ni)和實(shi)驗(yan)(yan)(yan)驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)了一(yi)種超(chao)(chao)開放(fang)式通(tong)風(feng)超(chao)(chao)材料吸(xi)(xi)收器。實(shi)驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)明，針對(dui)低(di)頻聲(sheng)音的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收器可(ke)(ke)同時確保高性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收和通(tong)風(feng)。我們通(tong)過耦合損耗(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)效模(mo)型解釋這(zhe)種諧振(zhen)腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)制。此外，吸(xi)(xi)收器可(ke)(ke)以根據吸(xi)(xi)聲(sheng)系數與極(ji)限厚度的(de)(de)(de)(de)(de)因果律為原理，進行簡單地堆疊(die)，使其(qi)能(neng)(neng)(neng)在(zai)(zai)定制的(de)(de)(de)(de)(de)寬(kuan)帶中工作(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)同時保持良好的(de)(de)(de)(de)(de)通(tong)風(feng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)。

　　測試設備：ATA-304B功率放大器、數(shu)據采集分析儀、揚(yang)聲器(qi)、麥克風等

　　實驗過程：

　　使(shi)(shi)用3*3晶(jing)格陣列排布的(de)(de)(de)(de)UVMA單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)作(zuo)為(wei)框架(jia)組(zu)裝在(zai)一起，構(gou)(gou)成(cheng)了(le)(le)(le)類似吸聲墻(qiang)的(de)(de)(de)(de)超材料吸收(shou)體，如圖(tu)2.1(a)所(suo)示(shi)(shi)。對于這晶(jing)格排列的(de)(de)(de)(de)超構(gou)(gou)材料，在(zai)其上方特別大的(de)(de)(de)(de)空腔允(yun)許背景流(liu)體(如空氣(qi)或水)通過自由(you)(you)流(liu)動通過結構(gou)(gou)。在(zai)本文提到的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)中，我們假定(ding)該結構(gou)(gou)浸沒在(zai)空氣(qi)中。而為(wei)了(le)(le)(le)同時實現(xian)對于低(di)頻聲波(bo)的(de)(de)(de)(de)高效吸收(shou)和氣(qi)流(liu)的(de)(de)(de)(de)自由(you)(you)流(liu)動，入射到UVMA單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)上的(de)(de)(de)(de)聲波(bo)應被完美吸收(shou)。對于單(dan)(dan)(dan)個(ge)的(de)(de)(de)(de)UVMA超胞單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)組(zu)合成(cheng)一個(ge)矩(ju)形格子中，沿x和y方向的(de)(de)(de)(de)晶(jing)格常數分別為(wei)L/4和L，由(you)(you)四個(ge)UVMA單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)組(zu)成(cheng)，如圖(tu)2.1(b)所(suo)示(shi)(shi)。對于單(dan)(dan)(dan)個(ge)UVMA單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)細節(jie)，我們通過取下蓋子的(de)(de)(de)(de)方式對UMVA單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)詳細信(xin)息進行(xing)展示(shi)(shi)，如圖(tu)2.1(c)所(suo)示(shi)(shi)。每個(ge)UVMA單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)由(you)(you)兩個(ge)對稱放(fang)置的(de)(de)(de)(de)分流(liu)管(guan)諧(xie)振器組(zu)成(cheng)，并通過連接它們之間的(de)(de)(de)(de)窄縫形成(cheng)弱耦合。單(dan)(dan)(dan)個(ge)UVMA單(dan)(dan)(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)在(zai)xz平面(mian)上的(de)(de)(de)(de)剖(pou)面(mian)圖(tu)展示(shi)(shi)了(le)(le)(le)結構(gou)(gou)相(xiang)同但方向相(xiang)反的(de)(de)(de)(de)裂口管(guan)諧(xie)振器，如圖(tu)2.1(d)所(suo)示(shi)(shi)。我們確定(ding)了(le)(le)(le)UVMA超構(gou)(gou)材料的(de)(de)(de)(de)適當幾何參(can)數，以使(shi)(shi)該結構(gou)(gou)在(zai)對于低(di)頻聲波(bo)具(ju)有最佳的(de)(de)(de)(de)吸收(shou)和通風性能(neng)。

　　用(yong)圖(tu)2.1.(e)所示的(de)(de)設(she)置對(dui)它們(men)的(de)(de)吸收(shou)性能(neng)進行(xing)實驗(yan)驗(yan)證，所有聲(sheng)(sheng)學(xue)測量均在四(si)邊(bian)形阻抗管中使用(yong)普通的(de)(de)四(si)麥克風(feng)雙負(fu)載方法進行(xing)。阻抗管由兩個(ge)鋁制(zhi)方管(內截(jie)面為(wei)(wei)147×147mm2，管厚度(du)為(wei)(wei)5mm)，一個(ge)全頻揚聲(sheng)(sheng)器(中國(guo)，M5N，HiVi)組(zu)成，四(si)個(ge)麥克風(feng)(中國(guo)，BSWA，MP418)，功率放(fang)(fang)大器(中國(guo)，Aigtek，ATA304)和(he)數據采(cai)集分析儀(中國(guo)，BSWA，MC3242)。鋁管的(de)(de)平面波截(jie)止頻率為(wei)(wei)?1100Hz。兩個(ge)鋁管的(de)(de)長度(du)分別(bie)為(wei)(wei)600mm和(he)400mm。使用(yong)厚度(du)為(wei)(wei)4mm的(de)(de)夾(jia)緊鋁板(ban)(ban)作為(wei)(wei)剛(gang)性背板(ban)(ban)，以模擬(ni)聲(sheng)(sheng)學(xue)硬(ying)邊(bian)界(jie)端接(jie)。拆下背部的(de)(de)鋁板(ban)(ban)后，管中的(de)(de)聲(sheng)(sheng)音會散發出外界(jie)，從而模擬(ni)出開(kai)放(fang)(fang)邊(bian)界(jie)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)學(xue)終端。它們(men)在測量中充當兩個(ge)不同的(de)(de)終端負(fu)載。

　　圖(tu)2.1.(a).以矩形(xing)點陣(zhen)排(pai)列的(de)(de)UVMA超(chao)胞組合示(shi)意圖(tu)。(b).UVMA超(chao)胞單(dan)元(yuan)的(de)(de)示(shi)意圖(tu)，它由(you)四個(ge)UVMA單(dan)元(yuan)組成，沿x(y)方(fang)向的(de)(de)晶格常數(shu)分別為L(L/4)。(c).單(dan)個(ge)UVMA的(de)(de)透(tou)視圖(tu)，如(b)中的(de)(de)虛線矩形(xing)所(suo)示(shi)部分。為了(le)(le)演示(shi)其內部細節，我(wo)們旋轉了(le)(le)結(jie)構并卸下了(le)(le)兩端(duan)蓋板(ban)。(d).在xz平面上UVMA單(dan)元(yuan)的(de)(de)剖面示(shi)意圖(tu)。(e).用于聲學測(ce)量的(de)(de)實(shi)驗裝(zhuang)置(zhi)。阻(zu)抗管(guan)的(de)(de)橫截面為正方(fang)形(xing)(147×147mm2)，并采用標準(zhun)的(de)(de)四麥克風方(fang)法進(jin)行測(ce)量。插(cha)圖(tu)顯示(shi)了(le)(le)放置(zhi)在阻(zu)抗管(guan)中的(de)(de)已加工樣(yang)品的(de)(de)照(zhao)片。

　　為(wei)驗(yan)(yan)證樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)吸(xi)聲(sheng)(sheng)率(lv)(lv)與(yu)(yu)參數關系(xi)的(de)(de)模擬結(jie)果(guo)(guo)，我(wo)(wo)們(men)在(zai)(zai)聲(sheng)(sheng)波管中(zhong)然后進(jin)行UVMA單元(yuan)聲(sheng)(sheng)學特性(xing)(xing)的(de)(de)實驗(yan)(yan)測(ce)量。我(wo)(wo)們(men)只做并研究了兩(liang)種(zhong)(zhong)UVMA樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)，分(fen)別(bie)標(biao)記(ji)為(wei)這兩(liang)種(zhong)(zhong)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)為(wei)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)I。樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)I與(yu)(yu)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)II的(de)(de)開(kai)口率(lv)(lv)(開(kai)放(fang)面(mian)積)為(wei)分(fen)別(bie)為(wei)72.8%和(he)69.4%。如圖(tu)2.3.(a)中(zhong)顯示(shi)了我(wo)(wo)們(men)通過四麥克風法所(suo)測(ce)得的(de)(de)這兩(liang)個樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)的(de)(de)透射(she)率(lv)(lv)和(he)反射(she)率(lv)(lv)(虛線)，與(yu)(yu)模擬結(jie)果(guo)(guo)(實線)非常(chang)吻合(he)。反射(she)譜(pu)和(he)透射(she)譜(pu)都在(zai)(zai)共振頻(pin)率(lv)(lv)附(fu)近出現下降，這意味著(zhu)UVMA超構材(cai)料在(zai)(zai)共振頻(pin)率(lv)(lv)處(chu)高效吸(xi)收(shou)(shou)。如圖(tu)2.3.(b)所(suo)示(shi)，模擬吸(xi)收(shou)(shou)和(he)測(ce)量吸(xi)收(shou)(shou)的(de)(de)結(jie)果(guo)(guo)表明彼此之(zhi)間存在(zai)(zai)著(zhu)一(yi)致性(xing)(xing)，很好的(de)(de)吻合(he)在(zai)(zai)一(yi)起。在(zai)(zai)實驗(yan)(yan)中(zhong)，對于(yu)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)I與(yu)(yu)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)II，如紅(hong)色與(yu)(yu)紫色的(de)(de)箭頭所(suo)示(shi)，分(fen)別(bie)在(zai)(zai)637Hz與(yu)(yu)472Hz下測(ce)得的(de)(de)吸(xi)收(shou)(shou)率(lv)(lv)達(da)到93.6%和(he)97.3%。作為(wei)參考，還測(ce)量了兩(liang)種(zhong)(zhong)三聚氰(qing)胺(an)吸(xi)聲(sheng)(sheng)泡沫(mo)(mo)(BasotectG+，德國(guo)巴斯夫)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)學性(xing)(xing)能。它們(men)被標(biao)記(ji)為(wei)泡沫(mo)(mo)I和(he)泡沫(mo)(mo)II，分(fen)別(bie)具有與(yu)(yu)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)I和(he)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)(pin)II相(xiang)同的(de)(de)尺寸(cun)，并且將它們(men)的(de)(de)吸(xi)收(shou)(shou)譜(pu)在(zai)(zai)圖(tu)2.3.(b)中(zhong)以灰色實線進(jin)行了繪(hui)制。與(yu)(yu)市場上優(you)質的(de)(de)吸(xi)聲(sheng)(sheng)泡沫(mo)(mo)相(xiang)比，UVMA單元(yuan)在(zai)(zai)低頻(pin)共振附(fu)近有卓越的(de)(de)聲(sheng)(sheng)學吸(xi)聲(sheng)(sheng)性(xing)(xing)能。

　　實驗結果：

　　如(ru)圖2.3.(d)所示，兩個(ge)諧(xie)振器在諧(xie)振時(shi)的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)壓表現出90°的(de)(de)(de)(de)相(xiang)位差。此相(xiang)位差表明對(dui)于其對(dui)稱(cheng)面(z=0)可以(yi)看作(zuo)是引(yin)入了(le)(le)180°相(xiang)位差的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)學軟邊(bian)界(jie)(jie)(jie)和(he)引(yin)入了(le)(le)0°相(xiang)位差的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)學硬邊(bian)界(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)疊加。我們(men)使用(yong)COMSOL僅對(dui)UVMA單(dan)(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)一(yi)半(ban)(ban)進行仿真模擬，分(fen)別以(yi)聲(sheng)(sheng)學軟邊(bian)界(jie)(jie)(jie)或硬邊(bian)界(jie)(jie)(jie)為終止條(tiao)件。發現單(dan)(dan)個(ge)UVMA單(dan)(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)吸收是對(dui)稱(cheng)和(he)反對(dui)稱(cheng)的(de)(de)(de)(de)UVMA單(dan)(dan)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)一(yi)半(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)平均(jun)值(zhi)，因(yin)此證(zheng)實了(le)(le)該解釋是準確(que)的(de)(de)(de)(de)。由于硬聲(sheng)(sheng)和(he)軟聲(sheng)(sheng)邊(bian)界(jie)(jie)(jie)都充當背散射(she)條(tiao)件，它們(men)會(hui)引(yin)起入射(she)聲(sheng)(sheng)音的(de)(de)(de)(de)多次散射(she)，從而(er)使兩個(ge)單(dan)(dan)獨(du)的(de)(de)(de)(de)分(fen)流管諧(xie)振器的(de)(de)(de)(de)諧(xie)振模式(shi)混合。這種耦合是獲得(de)有(you)效吸收的(de)(de)(de)(de)關鍵。此外，由于在硬邊(bian)界(jie)(jie)(jie)和(he)軟邊(bian)界(jie)(jie)(jie)之間反射(she)的(de)(de)(de)(de)波(bo)具有(you)180°的(de)(de)(de)(de)相(xiang)位差，因(yin)此它們(men)往(wang)往(wang)會(hui)相(xiang)互抵消(xiao)，從而(er)確(que)保了(le)(le)在雙端口(kou)的(de)(de)(de)(de)通風(feng)情況下接近完美的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)吸收。

　　圖(tu)：ATA-304B功率放(fang)大器指標參數

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