ProAcoustics丨用于单向波传播问题的薄膜型智能超材料（MAM）

为了寻求更节能的解决方案，现代工程设计优先发展轻质紧凑的系统，其性能和可靠性仍然反映了传统大型笨重材料和结构的可用特性。在声学中，只要涉及低频噪声控制，这种趋势就会发生冲突，因为传统材料的性能仅限于质量密度定律，这意味着声音传输损耗（STL）与频率成正比，尤其是在低频率下，可接受的性能与较大的结构质量和/或厚度有关。此外，通常采用智能多物理解决方案来扩展传统解决方案的性能，从而提供多功能性，有时还提供对各种干扰的自适应能力，甚至对主观噪声属性进行定制。

受电磁对应物中出现的反直觉现象的启发，在将带隙形成理论应用于在固体和流体中传播的弹性波之后，在过去近30年中众多学者和研究人员对声学超材料进行了长期和广泛的研究。对于波长明显大于超构晶胞常数的波，可能会产生带隙，这推动了许多关于局部共振机制的研究。在晶胞单元和宿主结构之间的各种研究组合中，基于膜的组合（薄膜声学超构材料- MAM）作为克服质量定律限定的一种手段尤其具有吸引力，同时这种构型仍能提高STL性能。然而，其性能仅限于窄频带（图1），这种限制促进了对具有更宽功能谱的解决方案的研究。

图1：装饰膜谐振器（a）FEM和实验STL的比较，包括第一和第二辐射模式，（b）原型照片

本期分享巴西圣保罗大学圣卡洛斯工程学院机械工程系Lucas Y.M. Sampaio、Leopoldo P.R. de Oliveira，意大利乌迪内大学工程与建筑理工学院GabrielK. Rodrigues，巴西圣保罗大学圣卡洛斯工程学院航空工程系Jaime A. Mosquera-Sánchez、Carlos De Marqui Jr.发表在《Journalof Sound and Vibration》上的论文“Membrane smart metamaterials for unidirectional wave propagation problems”。（PII：S0022-460X(21)00426-0，DOI：https://doi.org/10.1016/j.jsv.2021.116374）。作者提供了一种增强型薄膜声学超材料STL的研究方法。通过MAM晶胞与压电材料相结合，实现了智能薄膜声学超构材料，为复杂的超材料构型设计开辟了多种可能性。

创新研究

•控制平面波传播的智能超材料。

•带有压电元件和分流RL电路的轻型薄膜。

•探索膜反共振和机电共振。

•经过实验验证的有限元模型允许智能超材料性能评估。

•具有优于质量定律的声传输损耗特性的智能超材料。

声学超材料可以通过特征的周期性分布来实现，这些特征从刚性夹杂物和不连续切割到亚波长谐振器。在谐振器设计中使用轻质元件产生了薄膜声学超材料（MAM），它在较窄的频率范围内表现出相关的衰减。智能材料的使用，产生了智能MAM，为可调谐系统铺平了道路，该系统可以改善不同频率范围内的衰减性能。这项工作对使用智能MAM通过预应力膜与并联压电元件的组合解决单向声扰动进行了数值和实验研究。使用完全耦合的电振动声有限元对概念单元进行建模，并在阻抗管中进行了实验验证，适用于声音传输损耗（STL）测量。然后，通过沿波传播方向排列多个单元，提出了一种新的声学超材料。基于经验证的单胞模型的数值模拟表明，在第一个开路膜模态周围形成了电弹性衰减带。智能MAM能够提供大的STL，不仅在膜反共振方面，如预期的那样，而且在第一共振频率附近的频带上，显示出有效、轻量级声屏障的有前途的应用。

图文快览

图2：提议的MAM单元的配置：（a）尺寸为 mm的CAD模型，（b）物理原型，（c）盘主导模态和（d）膜主导模态。

图3：(a) 分流到纯电感电路的结构系统的机电模型；(b) 合成电感的电路。

图4：合成电感原型

图5：波导上的压电MAM晶胞模型 (a)示意图和 (b)FEM网格

图6：所提出的MAM单元在开路和电感分流电路中的FEM结果（a）STL谱针对相同面积密度的同质面板和（b）1/3倍频带中的STL

图7：提出的MAM单元STL的实验结果

图8：比较 (a) 开路和 (b) 分流系统的FEM和实验结果

图9：三个晶胞沿x方向的周期性面板排列：（a）概念3D视图和（b2D FEM几何

图10：在(a)开路条件和 (b)感应分流条件下，不同单元数量的Penalise STL

图11：在(a)开路条件和 (b)分流电路中具有1和10个单元的MAM的Penalise STL

总结

本文提出了一种新的薄膜型声学超材料（MAM）单元，其特点是在预应力膜的边缘安装了压电元件。已对所提出的智能MAM的声音传输损失性能进行了数值和实验评估。压电元件被分流到电感电路，从而实现了具有局部谐振的半无源分流阻尼。结果表明可以实现STL的显著增加，特别是在分流电路的调谐频率附近。

分流电路提供的分流谐振针对通过添加压电盘产生的质量主导模态，这种MAM配置将裸膜STL谷变成了峰值，从而显著提高了MAM单元的整体STL性能。仿真表明，通过添加分流L电路，以630 Hz为中心的1/3倍频程频带提高了4 dB。在实验中，所提出的分流RL MAM单元设置显著提高了整个感兴趣频段的整体STL性能。添加分流电路后，分流频率的性能提高了13 dB以上，总体上提高了约5 dB。有限元模型很好地描述了开路和分流单元，这允许对多单元布置的模型进行进一步外推。

然后通过多物理场有限元模拟将所提出的单元周期性地堆叠在一维波导中，从而提出了一种声学超材料。在分流情况下形成了175.5 Hz宽的衰减带隙，性能饱和约8到9个单元。

简要讨论了使用相对简单的开关控制在开路和分流配置之间切换的问题，这仍然是未来工作和探索其他超材料配置的问题，包括超材料内单元的不同调谐以及在其他方向上单元的重复。

点击阅读原文查看此项工作的研究成果。