普信®声学院丨NAIMMTA项目丨具有弹性单元边缘的膜型和平板型声学超材料

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 453 (2019)上的论文Membrane- and plate-type acoustic metamaterials with elastic unit cell edges，原文请点击阅读原文参考。

导读

膜型和平板型声学超材料是由具有较小附加质量的周期性单元组成的薄膜或板。大量研究表明，这些超材料表现出可调谐的反共振，其传输损耗值远高于相应的质量定律。但是，在大多数研究中，都假定超材料的单元边缘（或网格）是固定的。这种理想化的边界条件不适用于噪声控制中的实际应用。因此，可以预期这些超材料在更接近实际使用的情况下（网格结构不能完全刚性）的声学性能会有所不同。汉堡应用科技大学团队研究了具有非刚性网格的膜型和平板型声学超材料的振动声行为。为此，开发了一种有效的分析模型来预测此类超材料的特征模态和声音传输损耗。

创新研究

自从2008年以来首次报道超构材料的非凡声学特性，膜型声学超材料（MAM）受到了科学和工程界的广泛关注。MAM由亚波长大小的单元组成，该单元具有薄膜和附着在膜材料上的少量刚性物质。MAM是有望能有效减轻低频噪声的新技术，特别是在降噪装置的重量和尺寸受到严格限制的应用中（例如汽车或航空工程）。但是没有可用的分析模型来帮助理解顺应性单元边缘对膜和平板型声学超材料的声传输特性的影响，而这对于这些材料的发展却至关重要。该项研究，弹性单元孔边缘是使用Euler-Bernoulli梁网格建模的，并且可以为倾斜入射计算声传输损耗。与FEM仿真的比较表明，所提出的模型产生了相同的结果，但计算量却大大减少了。然后，该分析模型用于讨论主题材料的振动声学特性，特别关注网格梁的质量和刚度的影响。

图文速览

图1  在平面波的声激发下具有弹性网格结构的超材料单元的基本定义。垂直的黑线描绘的棱柱段表示一个周期性单元的边界

图2  用于验证分析模型的FEM仿真模型概述。（a）图示单元模型的几何形状和组成部分（未按比例绘制）；（b）超材料单元格的计算网格；（c）超材料和相邻流体域以及完美匹配层(PML)的计算网格；（d）不同最大元件边缘长度的模拟传输损耗值的收敛

图3  

从（法向入射）的分析模型获得的超材料单元格的前五个特征模态的模态形状

图4  分析模型的数值验证。（a）法向入射时的传输损耗；（b）倾斜入射时的传输损耗；（c）超材料的有效表面质量密度（阴影区域表示有效质量为负的频带）；（d）模态对超材料单元平均位移的贡献

图5  具有固定网格、弹性网格和单元格边缘无网格的膜型声学超材料的声学特性比较。（a）法向入射时的传输损耗；（b）有效表面质量密度（按归一化）

图6  表1中指定的超材料单元单元的分散曲线，用于无量纲网格质量𝜇G和无量纲网格弯曲刚度的不同值。完整的带隙用阴影区域表示

图7  对于无量纲网格参数的不同值，超材料在法向入射时的共振和反共振。（a）网格质量𝜇G；（b）网格刚度

图8  对于无量纲网格参数的不同值，超材料在倾斜入射时的共振和反共振。（a）网格质量𝜇G；（b）网格刚度

图9  对于无量纲网格参数的不同值，超材料的扩散场声传输损耗TL_d（a）网格质量𝜇G；（b）网格刚度

总结

在该项工作中，已经研究了具有顺应性单元边缘的膜型和平板型声超材料的振动声特性。提出了一种有效的分析模型，该模型能够预测在斜平面波入射下此类超材料的特征频率，模态形状，有效质量和传输损耗。所提出的模型已使用FEM仿真进行了验证，结果表明，解析计算比相应的仿真快2000倍以上。

分析模型已被用来研究网格参数（质量和刚度）对超材料的振动声学特性的影响。通过检查色散曲线，已发现超材料显示出完整的带隙，在该带隙中不可能传播弯曲波。这些带隙可以使用网格质量和刚度进行调整。通常，发现较高的网格质量导致较小的带隙，并且较高的网格刚度增强了单位单元之间的结构解耦。此外，已经表明，网格参数也可以用于调整超材料的共振和反共振。因此，这些结果和该项工作中提出的分析模型可以支持在与实践相关的更多设置中进一步研究膜型和平板型声学超材料，以有效降低低频噪声。