普信®声学院丨NAIMMTA项目丨优化平板型声学超构材料的频宽

New Acoustic Insulation MetaMaterial Technology for Aerospace航空航天声学超构材料隔声新技术项目，简称NAIMMTA项目，是由全球研究项目支持计划下的经济、科学和创新部（MESI）提供的研究经费，支持国际研究和创新活动（PSR-SIIRI）中关于声学超材料在航空航天领域中的应用研究的研究课题。项目成员包括空中客车（AIRBUS）、哈金森航空工业（Hutchinson）、德国应用航空研究中心（ZAL）、加拿大国家研究委员会（NRC）、3M、Mecanum、希尔布鲁克大学声学研究所（GAUS）、魁北克大学高等技术学院（ÉTS）和汉堡应用科技大学（HAM HAMBUNG）。

该项目的目标是基于声学隔音超材料（AIMM：Acoustic Insulation MetaMaterials）概念开发和验证用于航空航天应用的新型隔音技术。这项技术已被融入到当前高性能热-声绝缘材料设计中，并且可以调节与音调和宽带噪声相关的衰减。该项目已于2020年12月正式完成，取得了众多世界级科研与工程成果，将为验证与加速声学超构材料的工业应用提供理论与技术基础和产业转化动能。

项目详情请参考：

普信®声学院将逐期介绍NAIMMTA项目的相关公开论文、成果及信息。本期将介绍NAIMMTA项目成员汉堡应用科技大学（HAM HAMBUNG）汽车与航空工程学院的Felix Langfeldt和Wolfgang Gleine发表在The Journal of the Acoustical Society of America 148, 1304 (2020)上的论文Optimizing the bandwidth of plate-type acoustic metamaterials，原文请点击阅读原文参考。

导读

局部共振的声波材料由周期性排列的共振晶胞组成，可以大大减小声波的传播，而单元尺寸远小于波长。在这些类型的声学超材料中，具有高的声音传输损耗的带隙与由单元共振引起的破坏性干涉效应有关。但是，由于局部共振声材料的物理机制与共振有关，因此它们的带宽通常很窄。平板型声学超材料（PAM）由具有多个周期性附着质量的薄膜组成。尽管这些超材料可能非常轻巧且很薄，但在低频产生的声音传输损失可能比相应的质量定律大得多。这是反共振的结果，在反共振下，通过PAM的声音传输会大大降低。然而，一个普遍的挑战是，反共振仅是非常窄的频带。这使得将PAM应用于宽带噪声源或更改音源的噪声控制问题变得困难。汉堡应用科技大学团队使用优化方法评估了用于低频噪声控制应用（每单元多个质量或堆叠多个PAM层）以提高PAM带宽的不同设计策略。

创新研究

与在相同的总表面质量密度下每单位单元具有一个质量的单个PAM层相比，该项工作的重点是系统地评估每个单位单元具有多个质量的PAM和多层PAM的带宽改善。为此，采用一种有效的优化方法来确定最佳设计，以在给定的频率范围内实现更高的带宽。优化结果表明，使用研究的设计策略可以显着提高PAM的带宽。实际上，表明使用多个质量或多个PAM层都可以实现相同的带宽。这为使用PAM进行合适的噪声控制处理设计提供了一定的灵活性。

图文速览

图1  PAM模型的验证中考虑了具有两个半圆形质量的PAM单元体几何形状、网格和模态形状

图2  PAM模型的验证中考虑了一个圆形质量的PAM单元体几何形状、网格和模态形状

图3  不同单层PAM结构的法向入射声音传输损耗TL。（a）有限元模型的概述。（b）从基于模态的有效表面质量密度模型（曲线）和完全耦合的FEM模拟（符号）获得的TL值

图4  由图1和图2所示的两个单元构成的两层PAM的法向入射声音传输损失TL是由图1和图2所示的两个单元构成的。曲线表示从基于模态的有效表面质量密度模型获得的结果，符号表示FEM结果。

（a）PAM层间距d₁₂=5mm。（b）不同PAM层间距的传输损耗的详细视图

图5  在Langfeldt和Gleine（2020）中测得的实验PAM测试样品的扩散入射声传输损耗TL_diff（a）安装在传输损耗测试套件内部的PAM测试样品的照片。（b）比较测量结果和PAM模型结果

图7  具有多个质量的优化PAM单元的带宽和传输损耗。（a）带宽。（b）法向入射传输损耗TL

图8  优化的多层PAM结构的带宽和传输损耗，每层每个单位单元具有单个质量。（a）带宽。（b）法向入射传输损耗TL

图9  具有m·n = 4 的优化PAM结构的法向入射传输损耗TL

总结

在该项工作中，研究了是否可以通过在一个单元体中使用多个质量或在彼此顶部堆叠的多层PAM来提高板型声学超材料的带宽。为此，采用了一种有效的模型，该模型使用PAM单位单元的模态参数和传递矩阵方法来计算单层和多层PAM的声音传输损耗。使用FEM仿真和实验数据验证了该模型。然后将其用于粒子群优化算法中，以使不同的多质量和多层PAM配置的100Hz至400Hz之间的带宽最大化。对于所有优化，总表面质量密度相同以确保可比性。

优化结果表明，在每种情况下，带宽都可以分别从44.2％增加到56％和55.8％。此外，可以表明，通过增加单位单元体的质量或增加更多的PAM层，可以实现相同的带宽改进。因此，具有改进带宽的PAM的设计在这方面是灵活的，并且可以适应实际噪声控制应用中的非声学约束。