比翱工程实验室丨基于人工神经网络进行陶瓷谐振器吸声特性的数值模拟

本文报道了利用声谐振器原理测量陶瓷材料吸声系数的实验结果。随后，从测量中获得的值用于训练基于人工神经网络的分析材料声学行为的仿真模型。陶瓷吸声材料的可能应用可能源于美学或建筑需求或功能需求，因为陶瓷是耐高温的防火材料。基于人工神经网络算法的仿真模型返回的结果特别重要。这一结果表明，采用该技术可以找到最佳配置，使材料具有最佳的吸声性能。

 
随着时间的推移，房间的声学特性在人们的个人生活和工作生活的许多领域都具有相当重要的意义。能够在餐厅或酒吧中进行不受干扰的对话，在声音分布和扩散充分的房间里听管弦乐队音乐会，在安静的教室里学习和教学，扬声器的清晰度非常好，这些都是正确的声学设计如何影响我们日常生活体验的例子。例如，影响我们对生活、工作或娱乐环境的声学质量感知的最主要参数是，背景噪声、混响时间和声音分布的均匀性。其中，室内混响的控制无疑是至关重要的。适用于减少环境中混响时间的系统利用其所用材料的几何特征和孔隙率来增加吸声，从而降低总声压级^[1,2]。 在环境中使用吸声器会影响声源的传播，从而影响环境中分布的声压级。在会议室中，如果环境内部表面的特征被设计为能够客观地传播声音，那么座位上的听众可以充分地感知到演讲者的讲话。混响过大的环境会产生较高的声压，但会降低清晰度，而吸收过多的环境可能会导致声压级不足，无法很好地理解语音。安装吸音天花板和墙面覆盖物，能够适当地衰减入射声波的反射，是一种环境声学校正，几十年来已被广泛使用和测试，混响时间可以达到最佳值。吸声材料降低声波通过材料时的声能。为了使吸收性材料正常工作，它必须是多孔的或纤维状的。在材料中传播的声波会因粘性耗散而损失能量。纤维也会被激发相互碰撞，产生热量，从而进一步耗散声能。吸声层的一个基本要求是，接收入射声波的表面必须反射性差，允许声音在材料内通过。所有的功效都会被反映出来，事实上，它们注定会以另一种形式回到系统中。因此，很明显，良好的吸音效果肯定会成为较差的视觉障碍^[3-6]。 宽敞环境的声学校正通常非常困难，对于这些大空间，有必要校正中低频中存在的声尾成分（振铃效应）。除此之外，还有美学上的限制，对于一些地方，如古代教堂或历史建筑，这是一个让设计师陷入严重困境的障碍。事实上，在这些地方，不可能想到使用传统吸音材料面板来安装墙壁的纠正方案：这是由于美学、历史或建筑原因。在这些情况下，有必要假设替代解决方案，使我们能够对这些地方进行声学校正。解决方案必须解决涉及使用美观材料的设计解决方案^[7,8]。通常用于著名建筑覆层的产品是陶瓷材料：陶瓷材料是无机非金属材料，主要由离子键和/或共价键连接在一起的金属和非金属元素组成。化学成分差别很大：从简单化合物到由许多复杂相连接在一起组成的混合物。通常，为了表示多孔陶瓷材料，采用晶体膏制成，无涂层，采用术语“陶土”。今天，陶土主要以用于建筑的陶瓷产品为代表，这些产品通常被归类为砖^[9]。在砖块的显著特征中，形状的模块化非常突出，因此有可能创造出标准化且易于复制的产品；经久耐用，耐大气腐蚀性好；并且导热系数低，成本相对较低。从古代到十九世纪，砖块的生产技术主要包括以下过程：完全手动成型、暴露在太阳下自然干燥，以及在温度和氧化程度各区域之间严重不均匀的烘箱中烧制。由于自动化机器的出现和第一批生产合理化系统的出现，使得成型操作完全机械化成为可能。此外，从热力学和气体运动研究中获得的丰富知识，使得能够预热干燥材料的烘箱得以建造，这得益于排烟装置控制烹饪所需燃料和燃烧空气的供应。因此，这些技术进步使得提高砖的质量和产量成为可能^[10,11]。亥姆霍兹谐振器是Hermann von Helmholtz于1860年为研究声音及其感知而创建的特殊声学谐振腔。它们可以简单地构造成各种尺寸的金属容器，通常为球形或圆柱形，有一个狭窄的开口，前面有一个短而窄的颈。众所周知，通过将空气吹过空瓶子的颈部，可以听到声音：瓶子充当谐振器^[12,13]。大型陶瓷或青铜花瓶、罐子和光滑的石制空腔，其大开口暴露在声音中，似乎在古代剧院中被用来放大演员的声音，Vitruvius^[14]是生活在公元前1世纪的罗马建筑师，他在《建筑论》中提到了这一点。后来，这些简单的谐振器被称为亥姆霍兹谐振器，以最早描述其物理特性的德国学者的名字命名。这些结构包括一个包含空气的体积空间，通过一个窄颈和一个开口连接到空腔。入射声的能量使谐振器颈部所含的空气振动，由于其体积，其行为类似于连接到弹簧的质量：简而言之，它是一种能够根据条件返回或吸收能量的吸声器。因此，空腔将以特定频率共振，该频率由颈部的体积和大小以及谐振器的开口决定^[15]。如果开口很宽，空腔是空的，我们称之为有源谐振器，因为系统会放大撞击它的声音，就像在任何刚性反射腔中发生的那样：让我们想象一个门开着的空房间，一个陶瓷花瓶等。然而，如果我们在空腔内放置吸音材料，系统会捕获被纤维材料衰减的声音，从而将吸收也扩展到相邻频率。在这种情况下，我们谈论的是反应式谐振器，即吸音^[16]。最后，由陶瓷制成的吸声材料的可能应用是多种多样的。使用陶瓷的需求可能源于审美或建筑需求；事实上，彩色和釉面陶瓷呈现出令人愉悦的外观，可以很容易地融入以建筑约束为特征的环境中。它的使用可以根据功能需求而定；事实上，它是一种防火材料，因此可用于达到高温的环境中，或火灾风险高的环境中。此外，由于这些材料具有很高的抗冲击性、耐光性、气候条件、湿度和化学试剂性，因此可用于建造吸音隔声屏障。最后，这些材料可用于以低频声音为特征的环境的声学校正，例如在教堂等传统多孔吸声材料无效的地方：共振表面的使用有助于减少不需要的低频成分。陶瓷材料样本，具有不同的厚度和穿孔百分比研究创新本研究报告了在手工制作的陶瓷材料样品上进行的吸声系数实验测量的结果。通过适当的在陶瓷材料盘上钻孔，可获得吸声效果。制作了孔尺寸为2和5 mm、厚度为3.0、2.0和0.6 cm的试样。穿孔板的吸声基于亥姆霍兹谐振器的原理，然而，该谐振器仅在狭窄的频带上有效；因此，为了使吸收现象更有效，并拓宽吸收频率范围，制作了穿孔板，安装在距离后面刚性表面一定距离处。使用内径为100mm的阻抗管测量垂直入射时的吸声系数；吸声系数测量的有效范围为100 Hz–2 kHz。通过在试样和其后面的刚性表面之间创建一个空气腔，对每个试样的吸收系数进行测量。获得的测量结果随后用于开发基于人工神经网络算法的数值模拟模型。结果表明：采用该技术可以找到最佳配置，使材料具有最佳的吸声性能。图文快览
陶瓷谐振器的吸声系数
用于模拟陶瓷谐振器声学行为的基于人工神经网络的算法结构。在输入层中，有三个输入：频率、试样厚度和孔径。在隐藏层中，有十个节点。最后，在输出层，有一个单一的输出，即吸声系数。 使用阻抗管进行的测量与使用基于人工神经网络的模型进行的模拟之间的吸声系数随频率变化趋势的比较：（a）厚度为0.6 cm、孔径为0.2 cm的陶瓷谐振器；（b）厚度为0.6cm，孔径为0.3cm的陶瓷谐振器；（c）厚度为0.6cm，孔径为0.6cm的陶瓷谐振器；（d）厚度为2.5厘米，孔径为0.3厘米的陶瓷谐振器。 总结本研究表明，基于人工神经网络模拟陶瓷材料的声学特性是一种很好的预测方法。一种基于神经网络的简化预测器，使用识别出的三个主要特征（频率、样本厚度和孔径），具有单个隐藏层，也被证明工作良好。这种方法易于解释和实现，无需大量计算机资源。最后，需要强调的是，开发声学吸声系数预测算法的主要目标是更好地了解这一现象的特征，因此，算法的性能优先于算法的简单性和减少的计算时间。未来可能面临的挑战可能涉及陶瓷材料与各种可改善陶瓷声学参数的混合物的使用：例如，增加所生产材料孔隙率的添加剂。此外，可以研究将具有不同特性的材料用作腔体极端壁的配置：通过这种方式，我们将能够看到结构内部的共振效应如何变化。参考文献 原文来源：Fibers 2020, 8(12), 77; https://doi.org/10.3390/fib8120077，Numerical Simulation for the Sound Absorption Properties of Ceramic Resonators，Giuseppe Ciaburro、Gino Iannace，Department of Architecture and Industrial Design, Università della Campania “Luigi Vanvitelli” 通过阅读原文可参考此项研究论文。

多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

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