ProAcoustics | 建筑用仿生超材料声学模拟设计和阻抗测量评估

原文名称：Biomimetic Metamaterial Design Simulation and Evaluation for Building Acoustics by Impedance Measurements原文作者：Beyza Yazıcı ，Zühre Sü Gül作者单位：Department of Architecture,Bilkent Üniversiteler原文来源：Journal of Testing and Evaluation，DOI: 10.1520/JTE20200469，

摘要

本项研究课题通过阻抗管实验研究了声学超构材料（AMM）在室内和建筑声学中的应用潜力。凭借其在吸声或传输损耗方面的卓越性能，AMM的性能要优于建筑物中的传统声学材料。重要的是，它们也比纤维和多孔材料更具可持续性和卫生性。根据所使用的基质材料，AMM的透明度和颜色可能会有所不同。考虑到它们的声学和美学价值，本研究开发了不同类型的超材料，以用作隔断墙、表面层或设计元件。提议的超材料主要基于自然界对比率和形式的探索- 金色比率、网状迷宫结构、遗传和神经系统（如脱氧核糖核酸（DNA）分子）和大脑中的突触结构- 均在亚波长范围内再现。然后，将这些抽象概念与AMM设计的三维空间卷曲和三维迷宫方法相结合。提议的AMM的模块在3-D打印机中制造，并在阻抗管中进行测试，以估计其法向入射吸声系数和传输损耗特性。根据获得的结果，在设计不同高度的隔墙时，应使用性能较高的模块。在有或没有提议的AMM干预的情况下，对两个真实案例的工作室进行了模拟，以对工作室进行现场测试调整的声学模型进行评估，以评估这种方法在可能出现的声学设计问题中的有效性。

介绍

材料研究是室内和建筑声学的基本主题。多种材料要么用于建筑系统中以控制噪音，要么用作表面层或装饰物以进行混响控制。技术的进步使得控制新型材料结构中的声音成为可能。¹同时，绿色技术的考虑也对建筑物提出了新的要求，例如卫生标准、对有毒气体排放的限制以及可回收性或可再利用性。这项研究的目的之一是结合材料的形式、结构和技术，以开发可持续的、环保的声学设计解决方案，以用于室内和建筑声学。

材料的趋势随着技术的发展而变化。超材料是由具有非传统有效特性的小型超结构组成的工程材料。²对人造结构的研究始于与光学中使用的光子晶体⁴相似的声子晶体³。设计过程利用了数学模型和数值模拟，然后得到了实验的支持^5,6 近年来，由于超材料在声学隐身，^7-10成像，¹¹和通过负折射的聚焦和透镜^12-15和表面波操纵¹⁶中的应用的引入，对声学材料的研究获得了新的视角。

“超”一词的使用源于设计的声学超材料（AMM）的非同寻常的特性。诸如负质量密度、负体积弹性模量或负有效折射率值之类的物理特性会导致极高的声学性能。已经提出了许多AMM来将有效量调整到这些极值，包括材料特性（例如负值¹⁸和接近零值）¹⁹或获得高各向异性密度。²⁰局部共振AMM尤其引起关注，因为其亚波长尺度与单位晶胞尺寸相比。在人工AMM的早期研究之一中，Liu等人²¹使用橡胶涂层球体来实现亚波长性能，利用周期性结构中的局部共振结构来操纵声波，尽管Liu等人的早期工作受到工作频率范围的高度限制。。负密度可以通过结构的局部共振来激发。受电磁学结果的启发，Fang等人²²提出了一种新型的AMM，其中包括一系列的亥姆霍兹谐振器。这样，它们在带隙附近实现了负的体积模量值。其他新出现的AMM包括穿孔板式AMM，^7,23空间卷曲式AMM，^{12、13、15、16、24–26}和膜板式AMM。¹⁸

Yang等人^[27]首次对膜式AMM进行了研究，他提出通过确保带隙中的负质量密度来控制50至1,000 Hz低频范围内的声波。对宽带隔音板进行了研究，以结合在不同频率范围下工作的膜型超材料的简单堆叠。膜板式AMM的一些优点是它们通常是轻质结构，因此是航空航天和汽车领域的理想材料，其中性能和重量都很重要。与其他类型的AMM相比，它们的几何形式不那么复杂，并且可以轻松地优化其有效密度²⁸。

另一组AMM体现了迷宫式或空间卷曲的方法，这有助于促进这项研究。利用卷曲的空间，可以创建有效的几何形状。研究表明，这种类型的AMM具有很多好处，例如由于与它们的高度对称性相关的各向同性响应，因此具有显着的吸声效果。²⁶关于空间卷曲式AMM的最早研究之一是Liang和Li¹⁵通过使用卷曲的穿孔，它们扩展了声波在材料内部跟随的传输路径，使其比外部尺寸长得多。结果，他们提出的超材料显示出双负性和大折射率。Xie等人¹⁶通过实验证明，适当设计的迷宫式AMM可以实现较宽的负折射率频率范围。他们对准2-D迷宫式AMM进行了实验。 Frenzel等人^[29]实现了从二维迷宫式超材料向3-D超材料的过渡，其目的是设计一种宽带全角度吸声器。

一般来说，在单极共振频率下，所制备的声学超表面具有极强的多极性吸声性能。最重要的是，空间卷曲AMM可以通过改变卷曲的数量来实现可调的工作频率，以获得更高的反射。²⁶其他将空间卷曲纳入其三维结构中的超材料利用之字（锯齿）形运动来增加有效的声路，如之字形运动导致波前操纵³⁰和极端的声波传播^15,29除了锯齿形路径外，顺时针-逆时针方向也被证明能有效地降低声波的能量。Liu、Xia和Yu³¹提出了一种螺旋和迷宫式AMM，其传输路径是这种形式，这与之字形路径有很大的不同。他们能够有效地切断波导中的声波，迫使声波沿顺时针方向和逆时针方向交替传播。Godbold、Soar和Buswell进行的一项研究³²提出了一种基于无源相消干扰（PDI）原理的新型吸声器，阐述了其技术性能、制造和室内声学应用设计。他们的研究结果表明，他们提出的原始吸收体可能是传统亥姆霍兹谐振器的理想替代品，因为亥姆霍兹装置需要一个庞大的空腔来工作，而新型吸收体需要较少的空间。在另一项利用PDI的研究中，Setaki等人³³比较了包含不同长度圆柱形结构的材料的实验和分析估计。他们通过系统地改变管内几何形状来研究吸声，以期开发出一种用于建筑空间的有效声学元件。

声学超构材料已经引起了各个领域研究人员的关注，新的设计和材料种类也在不断地被引入。然而，在建筑声学领域，这方面的研究仍然是非常新的，需要更多的实验和理论研究才能在实际中得到应用。这项研究的动机是采用新的设计工具，特别是在建筑空间的声音改善和噪声控制的AMMs的发展思路。建筑应用带来了挑战，因为除了声学性能要求外，还需要满足美学吸引力、设计灵活性、耐火性和卫生等要求。这项研究主要通过调整拟用AMMs内部结构的几何形状来优化空间螺旋型AMMs在低频段的吸声和传输损耗（TL）性能，而低频段在室内声学中是一个有挑战的范围。选择半透明基材树脂进行制造，暴露内部设计，提供光与色一体化的潜力。

尽管AMMs是以其“超越自然”的特性或比例命名的，但人们并不完全了解自然的局限性，从自然中提取形式和比例并加以利用的潜力很大。因此，这项研究的另一个主要灵感来源是仿生学。在材料科学和建筑学中有许多关于仿生学的研究。例如，蜘蛛网geometry¹⁷提供了一个坚固的纤维网，甚至比钢还要坚固，而且结构轻巧。因此，在强度和重量都很重要的应用中，如防弹背心或航空航天结构中，黄金分割率（GR）通常是首选的。³⁴黄金分割率（GR）在自然界中存在于花卉、各种水果、蔬菜、植物和蕨类植物、螺旋叶、贝壳、鱼、蚂蚁和人类的身体部位中，以及宇宙，³⁵等等，近几十年来引起了许多科学家、建筑师和工业设计师的注意，特别是以金色矩形的形式。最后，蜂窝结构，这是经常使用的超材料，³⁶也是一个产品的仿生。他们都是坚固和重量轻，有一个最佳的包装形状与他们的六边形细胞单位。由于这些原因，蜂窝结构广泛应用于飞机操纵面³⁴

在这项研究中，仿生学的主要用途是设计可能在自然界中找不到的特征，但仍然是从现有结构中获得灵感和抽象出来的。在AMM设计的三维空间卷曲和三维迷宫方法中，来自自然界的比率和形式在亚波长尺度上被利用，类似于局部共振超材料。设计方案起源于GR、网状迷路（WL）形式、遗传和神经系统（如脱氧核糖核酸（DNA）分子）以及大脑中的突触结构，这将在以下章节中详细讨论。然后在三维打印机中制造所设计的样品材料模块。随后，在阻抗管中对这些制造的AMM单元进行测试，以获得它们在低于1 kHz的频率范围内的正入射吸声系数和TL特性。最后，为了评估所提出的AMM模块在实际声学设计问题中的有效性，对两个建筑工作室在现有状态下进行了测试，并对有无AMM应用进行了仿真。

图文快览

结论在这项研究中，不同类型的声学超材料已经被开发出来，以研究它们在建筑中的潜在应用。空间卷曲模块的开发利用了一些形式和比例从大自然中采取符合仿生学的方法，尽管只是在亚波长尺度。基本上，以GR、WL形式和DNA命名的三种单元被设计和生产出来。然后在阻抗管中测试样品，以获得其吸声系数和TL值。 研究的重点是中低频频谱的声学增强。这是因为用传统材料可以很容易地控制更高的频率，而不会占用室内太多空间。此外，观众或学生的存在会增强中高频范围内声音的衰减。因此，对63至1000 Hz的吸声频率和100至1000 Hz的TL频率进行了分析和阻抗管测试。测试了拟建装置的不同配置，包括一侧关闭、两侧打开、厚度不同的配置，后面有不同的气隙。结果表明，与相同厚度的固体样品相比，所设计的AMM组件均具有较高的吸声性能。样本DNA模块在测试频率范围内达到最佳的整体吸声性能。在该模块的不同配置中，DNA5配置（8厘米厚，两侧开口，后面7.5厘米气隙）在63赫兹时达到最大吸声值0.77。AMMs在吸声方面的基本缺点是其相对窄带特性。两种或三种内部空隙尺寸交替的模块可以联合使用，以增加有效频率间隔。 样品WL模块在声音TL方面取得了最高的性能，在整个测试频谱中的值范围为48至55 dB。WL模块获得的结果比相同厚度（8 cm）的固体样品获得的结果大约好12 dB。考虑到样品模块的相对较低厚度，这是一个重大贡献。 WL模块所获得的声音TL也与由相同基材（树脂）制成的面板墙在不同配置下实现的声音TL进行了比较，这些结构与标准轻质建筑系统中使用的结构相似。为此，本文对两层不同厚度、不同气隙的两层固体树脂板的理论板壁截面进行了TL结果分析。当结果比较时，WL单元显示出比所有这些估计树脂壁截面更高的TL性能。WL单元的性能也优于类似的面板墙段，矿物填充频率高达500 Hz。 将阻抗管测试结果与Helmholtz方程和PDI法两种分析方法进行了比较。分析比较表明，DNA模块由于其复杂的内部结构，不能用Helmholtz或PDI方法来解释。因此，对DNA吸声模块的优化研究需要进行数值模拟，这是今后研究的方向之一。另一方面，GR和WL模块可以部分地用PDI方法来解释，以便在设计阶段指定它们可能的峰值吸收频率。 最后，为了观察在建筑环境中的潜在好处，设计了由AMM组成的分区，一边使用DNA5模块，另一边使用WL块。该设计方案在两个建筑工作室通过现场测试-调谐声学模型的模拟进行了测试。比较了不同高度的AMM隔墙在当前条件下和声学设计方案下的混响时间（T30）和STI指标。在63 Hz时，使用分区可将Studio#1的T30值降低0.73秒，Studio#2的T30值降低0.69秒。使用分区还可以将Studio#1中的STI值从“差”提高到“一般”和“良好”，并将Studio#2中的STI值从“一般”提高到“良好”。 综上所述，研究结果显示了AMMs在建筑混响和噪声控制中的应用潜景。AMMs可作为隔断的一部分，作为家具，或作为设计元件而不占用大空间，也不使用过敏性多孔材料。由于室内空气质量的类似原因，AMMs也可以作为供暖、通风和空调系统的散风单元。也就是说，它们可用于在不中断气流的情况下降低噪音，并可支持自然通风。另一方面，由于不同的制造技术使得可以使用各种基底材料，包括半透明和透明材料，因此光始终可以作为一种设计元素集成到AMM模块中。本研究提出的模组的内部几何结构仍有待进一步改进，以期在更宽的频率范围内获得更高的吸收值或TL值。在未来的工作中，本研究中的实验结果将被用来模拟材料特性，以便通过数值模拟的方式来实现优化。
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