【每日新文】基于折纸的可调宽带声衰减声学超材料
摘要:
OBAM的几何设计:(A)声学超材料的两个主要部分,包括折纸谐振腔和波导管;(B)折纸谐振器的组成,由手风琴折纸、刚性上板、底座、密封腔组成;(C)手风琴折纸单元格的二维折痕图和三维拓扑构型,左面板为二维折痕图,右面板为三维拓扑构型。
OBAM原型的制作:(A)制作工艺,主要包括八个步骤。前7步是制作折纸谐振器原型,最后8步是形成OBAM原型;(B)一个典型的折纸谐振器原型的放大视图,顶部有一个进气软管;(C)组装折纸谐振器和波导管,形成OBAM原型。注意,这里我们使用声阻抗管的主管作为波导
预测OBAM的传输损失:(A)使用传递矩阵法设置5个点来帮助研究声压关系。点1和点2分别为折纸谐振器在波导管上的前后点,点3和点4分别为声波通过穿孔前后点,点5为折纸谐振器末端点;(B)有限元模型,左面板和右面板分别为物理场和网格设置。声阻抗设置在折纸谐振器的末端。用自由四面体单元划分整个分析区域,最大尺寸小于激发频率最小波长的1/8;(C)声压调节手风琴折纸变形示意图。空气压力由空气压缩机提供,然后由压力调节器控制。输入不同的气压可以实现不同高度或体积的手风琴折纸;(D)声学测试系统原理图,主要由扬声器、功放、信号分析仪、传声器、阻抗管、气动装置等组成。采用基于传递矩阵法的双负荷法;(E)声学测试系统设置。
手风琴折纸的适应性:(A)轴向变形与力曲线。我们人为地将整个区域划分为低刚度和高刚度区变形的31.5毫米作为分界点;在不同的压缩比(B)刚度变化。因此,整个地区分为低刚度和高刚性区域的压缩率为35%作为分界点;(C)的压缩比和空气压力之间的关系。固体蓝线代表理论值,红圈代表实验值。
不同压缩比下OBAM的传输损耗值: (A) η=0%的初始状态。10db频段分别为(392,417)Hz、(389,414)Hz和(354,364)Hz,对应的带宽分别为25Hz、25Hz和10Hz,用于仿真、理论和实验;(B)η= 10%。10db频段分别为(424、449)Hz、(421、446)Hz和(408、420)Hz,对应的带宽分别为25Hz、25Hz和12Hz,分别用于仿真、理论和实验;(C)η= 20%。10db频段分别为(460,484)Hz、(456,481)Hz和(456,479)Hz,对应的带宽分别为24Hz、25Hz和23Hz,用于仿真、理论和实验;(D)η= 30%。10db频段分别为(501,526)Hz、(497,522)Hz和(512,534)Hz,对应的带宽分别为25Hz、25Hz和22Hz,用于仿真、理论和实验;(E)η= 40%。10db频段分别为(551、576)Hz、(546、571)Hz和(570、592)Hz,对应的带宽分别为25Hz、25Hz和22Hz,用于仿真、理论和实验;(F)η= 50%。10db频段分别为(614、637)Hz、(607、631)Hz和(636、658)Hz,对应的带宽分别为23Hz、24Hz和22Hz,用于仿真、理论和实验;(G)η= 60%。10db频段分别为(696、718)Hz、(688、710)Hz和(688、706)Hz,对应的带宽分别为22Hz、22Hz和18Hz,用于仿真、理论和实验。
模拟不同频率下声场分布,其中黑线为局部速度流线,彩色图为声压级分布,插板(i)为归一化声电抗,Im(Zi) = Im(ZrsSh /(ρ0c0)), (A) η=20%, (B) η=60%。在峰值频率处,归一化声电抗为零,导致传输损耗达到峰值。此外,声音通过OBAM后,声压幅值明显减小,而局部速度流线显示空气中存在强烈的共振,导致远场辐射显著减小。对于其他频率,归一化声电抗值分别小于零和大于零。此外,声压通过OBAM衰减不明显,大部分局部速度流线通过
关键几何参数对折纸传输损耗特性的影响:(A)折纸归一化高度H/H0;(B)二维单元格中梯形上端归一化长度,a/a0;(C)二维单元格中梯形上侧归一化高度,l/ l0;(D)基部穿孔归一化厚度,t/t0;(E)在底座上打孔的归一化半径,rb/ rb0;(F)波导管归一化长度,L/L0;(G)波导管归一化半径,rw/ rw0。
不同压缩比下rw/rw0 =3/4时,OBAM的传输损耗特性:(A) η=0%时的初始状态。10 db频段分别为(368,431)Hz和(383,429)Hz,仿真带宽为45 Hz,理论带宽为46 Hz;(B)η= 20%。10db频段分别为(453,499)Hz和(450,497)Hz,仿真带宽为46Hz,理论带宽为47hz;(C)η= 40%。10db频段分别为(545,593)Hz和(541,589)Hz,模拟带宽为48 Hz,理论带宽为48 Hz;(D)η= 60%。10db频段分别为(690,739)Hz和(682,732)Hz,仿真和理论对应的带宽分别为49 Hz和50 Hz
不同压缩比下rw/rw0 =1/2时,OBAM的传输损耗特性:(A) η=0%时的初始状态。10db频段分别为(367,472)Hz和(365,471)Hz,仿真带宽为105 Hz,理论带宽为106 Hz;(B)η= 20%。10db频段分别为(436,545)Hz和(433,543)Hz,仿真带宽为109 Hz,理论带宽为110 Hz;(C)η= 40%。10db频段分别为(529,642)Hz和(524,639)Hz,仿真带宽为113 Hz,理论带宽为115 Hz;(D)η= 60%。10 dB频段分别为(676,795)Hz和(667,788)Hz,对应的仿真和理论带宽分别为119 Hz和121 Hz
不同压缩比下rw/rw0 =1/4时,OBAM的传输损耗特性:(A) η=0%时的初始状态。10 db频段分别为(269,757)Hz和(271,790)Hz,仿真带宽为488 Hz,理论带宽为519 Hz;(B)η= 20%。10db频段分别为(334,842)Hz和(337,878)Hz,仿真带宽为508 Hz,理论带宽为541 Hz;(C)η= 40%。10db频段分别为(425,958)Hz和(428,999)Hz,仿真带宽为533 Hz,理论带宽为571 Hz;(D)η= 60%。10 dB频段分别为(574,1138)Hz和(576,1185)Hz,对应的仿真和理论带宽分别为564 Hz和609 Hz。
结论:
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Origami-based acoustic metamaterial for tunable and broadband sound attenuation;International Journal of Mechanical Sciences ( IF 7.3 ) Pub Date : 2022-10-22 , DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107872