中科院声学所张晗《AIP Adv》：手性螺旋结构水下宽带隔声

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低频噪声是一种普遍存在的问题，尤其是水下隔声至今尚未建立一套完备的隔声理论。传统水下隔声要么依靠大的空气腔，要么依靠增加隔板厚度，在实际应用中不仅效果不佳，而且体积庞大，限制了应用。超表面材料的发展为水下低频隔声带来了新的方向。

近日，中国科学院声学研究所张晗副研究员项目组在国际期刊AIP Advances上面发表题为“Underwater broadband sound insulation with chiral spiral structures”的研究论文。该文章基于空气中与水下隔声的相似性对一种亚波长尺寸上的手性螺旋结构进行了水下隔声研究，包括空气中和水下吸声特性的对比，以及变螺距和定螺距结构的水下吸声特性对比，验证了该方法在水下隔声的可行性。这篇文章提出了水下隔声一个可操作的新方法。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目的支持。

手性螺旋结构模型。本节介绍了手性螺旋单元的结构组成。元单元放置在一个半径51mm，长200mm的波导管中，波导两端为辐射边界条件，红色端为声波入射端，仅一侧入射。

图1.（a）螺旋角模型单元的内部结构。该装置由两部分组成：中心空口和两个螺旋通道，它们是镜像对称的。圆柱壳和叶片的厚度为1mm；（b）模型边界条件。整个单元视为声刚性，即内部边界条件为硬声场边界，波导两端为辐射边界，红色端均匀入射1pa声压。

变螺距螺旋结构在不同介质中的隔声仿真。本节使用comsol压力声学模块进行仿真计算，分别计算了在空气和水下的隔声特性，并分别比较分析了其不同介质下隔声性能的异同。在不同介质中时，单元消声频带不同，声波传播损失幅值相差不大，隔声趋势是类似且有效的，只是隔声区间不同。峰值表示完全消声，峰值间频域表示有效隔声带宽。改变元单元螺距、厚度、材料等可以达到特定的隔声频带。

图2螺旋角结构在介质空气和水中的隔声效果。（a） 螺旋角结构在空气中的声波传播损失；（b）空气介质下声场分布的截面图，其中白线代表局部速度流线，彩色图表显示声压分布；（c） 螺旋角结构在水中的声波传播损失；（d）水中声场分布的截面图。

定螺距螺旋单元在水中的隔声。本节在上一节的基础上改变了螺旋的螺距变化方式，并对定螺距单元的水下隔声特性进行了详细分析，验证了其在水下隔声的低频宽带特性。定螺距结构的水下隔声频带更低，同时隔声带宽也增加了，虽然隔声幅值有所牺牲，整体来看，在水中定螺距结构的隔声会比变螺距更适合一些。

图3 固定螺距螺旋单元在水中的声透射损失。（a） 为固定螺距结构在水中的声传播损失；（b）为固定螺距结构的内部螺旋结构。

文章基于手性螺旋超表面结构，结合在空气中的隔声性能验证了其在水中的适用性。这样的手性对称结构可以达到常规材料不能达到的等效参数。在单元表面上同时激发偶极和单极响应，以实现声音衰减，并且在相邻的两个消音频率范围内实现严格的声音衰减。根据阻抗失配的原理，尝试使用相同结构下的固定螺距螺旋来优化水下隔声，获得了可观的效果。

原文链接

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0025486

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