比翱工程实验室丨卷曲空间嵌入多孔材料以实现低频宽带吸声

Broadband low-frequency sound absorption by coiled-up space embeddedin a porous layerApplied Acoustics 182 (2021)108226王义普^a,王永华^a,b, 许金凯^a,于化东^a,张成春^b,任露泉^ba 跨尺度微纳制造教育部重点实验室,长春理工大学,长春130022, 中国b 吉林大学工程仿生教育部重点实验室,吉林大学,长春130025, 中国导读低频噪声具有很强的穿透力，难以减弱。为了解决传统吸音材料中的低频噪声吸收问题，提出了一种多孔材料中嵌入卷曲空间的耦合结构（CSPM）。卷曲空间结构(CSC)由折叠结构和迷宫结构组成，每个结构顶部都会切割一个矩形槽，以便声波进入。CSPM的共振吸声峰形成于低频范围内，105 Hz的吸声性能达到85%以上，315赫兹达到90%以上。通过调整CSC的尺寸参数，可以控制吸声峰的位置，由四种不同参数的CSC组成的CSMPs嵌入到多孔材料中，其吸收性能在195Hz～600 Hz范围内可达0.75以上。另外本文还研究了孔隙率、流阻率、曲折因子和CSC参数对吸音性能的影响。在该项工作中CSMP是通过增材制造技术制成的，通过阻抗管的测试与仿真结果进行对比。
创新研究环境噪音是我们日常生活的一个常见方面。由于低频噪声的波长长和穿透力较高，消除低频噪声变得困难。因此，如何降低低频噪声，已成为当前研究的主流。传统的多孔材料通过材料内部大量的复杂微孔衰减声波，将声能转化为热能并消耗掉，这种多孔材料在中高频下具有良好的吸声性能。在过去几十年中为了进一步解释多孔吸收材料的声学行为，提出了各种理论模型。其中，JCA等效模型在多孔材料中应用最为广泛，并被本文的仿真部分采用。该模型包含5个参数，孔隙率，流阻率，曲折度，粘度特征长度与热特征长度。为了有效解决低频噪声问题，自20世纪70年代以来，马大猷教授通过优化穿孔板，提高了穿孔板的吸声性能和环境适应性。近年来，随着材料科学的发展，出现了一大批声学超材料。由于这些超材料的吸声性能主要是由于共振的贡献，远离共振频率时吸声性能大大降低，因此这些超材料的吸声频带较窄，限制了广泛的工程应用。本文将CSC嵌入多孔材料中，增加了声波传输路径的长度，引起局部共振，在低频范围内表现出出色的吸声性能。通过调整CSC的大小参数，可以控制吸声峰的位置。研究发现，单个CSPM可以达到85%以上的吸声性能，而将4个不同吸声峰的CSPM按照一定顺序嵌入到多孔材料中，可在195-600 Hz的频率范围内达到75%以上的吸声性能。图文速览1.CSPM的结构及其吸声性能  图1（a）CSC 的透视视图，（b）CSPM的透视图。图2（a）CSPM 的吸声系数 (α) 和反射系数（R）。相对声压（b）80 Hz、（c）105 Hz 和（d）540 Hz. P 是总声场声压，P₀是入射波声压。
2.CSPMs的吸声性能及多孔材料特征参数对其吸声性能影响图3（a） CSPMs 的边界条件设置，（b） CSPMs与多孔材料的吸声性能对比
图4CSMPs在（a）195 Hz，（b）210Hz，（c）240Hz 和（d）290Hz的相对声压图。
图5不同多孔材料参数下CSPMs的吸声性能图。（a），曲折度、（b）流阻率和（c）孔隙率的3.典型样件吸声性能测试图6（a） Mecanum吸声系数测试设备，（b）PU的SEM，（c）标有I、II和III的三个CSC的照片，（d）实验样本的照片。图7三个典型CSPM样件的测试和模拟的吸收性能对比图。
结论本文中设计的CSPMs主要由嵌入多孔材料的不同参数的CSC组成，实现了低频宽频带的高吸声性能。此外，还研究了不同结构参数和多孔材料参数对吸声性能的影响。通过适当调整结构参数，使单个CSPM具有较宽的吸声带宽，并且多个不同结构参数的CSPM的共振频率相互接近，从而获得更好的耦合性能。工作中设计的CSPMs 能够在195 Hz-600 Hz 的频率范围内实现超过75%的吸声性能，在不同的多孔材料参数下表现出优异的吸声能力。即使在“受困”模式之后，CSPMs仍然可以保持良好的吸声性能。因此，CSPM在室内建筑、机场和汽车领域具有广泛的应用前景。参考文献


此项研究在比翱工程实验室进行了相关样品制备、测试与验证工作。通过原文阅读详细了解此项研究成果。


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