学术前沿：粒子增强橡胶基膜型声超材料声传输损耗的研究

原文摘要：

        本文采用分子动力学（MD）法测定了粒子增强乙烯丙烯二烯单体（EPDM）/乙烯四氟乙烯（ETFE）共聚物材料的力学性能，并将该共聚物材料用于声学超材料的结构设计。其次，基于离散点匹配方法，对材料的声传输损耗特性进行了预测，并通过多物理场耦合有限元模型验证了该理论的准确性和有效性。最后，研究了影响材料结构的7个关键参数，并分析了它们的影响规律和机理。结果表明，该结构弥补了传统ETFE薄膜材料在低频条件下的隔音缺陷。通过对关键参数的合理选择，可以对特定频段进行高隔音设计，这对建筑领域（新型建筑材料）的潜在应用具有重要意义。

原文总结：

       本文提出了一种用于改善ETFE膜结构建筑声学性能的颗粒增强聚合物薄膜超材料，侧重于在声音不易控制的低频范围内的结构隔音潜力。该结构的基础薄膜由具有优良声学性能的EPDM和ETFE复合材料组成，并引入改善机械性能的碳纳米颗粒。整体结构由大量常规金属块加载在薄膜上组成。本工作的第一部分是使用MS软件开发复合聚合物材料的宏观力学性质；其次，利用离散点匹配的思想构建了聚合物薄膜声学超材料的完整三维声传输损失预测模型。同时，基于COMSOL Multi-physics 5.6软件，建立了颗粒增强EPDM/ETFE MAM的声学结构耦合有限元模型，并分析了其传输损失特性，验证了上述方法的准确性和可靠性，也证实了该结构在低频声隔音方面的优越性。通过将该结构的声传输损失与等效质量的聚合物膜结构和金属膜结构进行比较，进一步展示了该结构在ETFE膜建筑中的潜力。最后，深入讨论了碳纳米颗粒质量分数和EPDM/ETFE材料的物理参数等7种影响因素对该颗粒增强聚合物薄膜超材料声隔音性能的影响规律，并得出以下主要结论：

1）该MAM的传声特性主要是由结构的局部共振和区域表面密度形成的，导致结构振动模式的频率和振幅不同，表面振动的幅度不同。

2）本颗粒增强聚合物薄膜超材料不同于简单的膜和板结构，它能够有效地提高薄膜建筑在一些较低频带的隔音效果。本文展示的结构可以在0.5kHz附近实现高达60dB的隔音水平，并在整个低频范围（50 Hz-1000 Hz）内胜过纯等质量薄膜结构。

3）从本文深入研究的影响因素中可以看出，适当调整结构物理参数可以改变隔音峰值的频率，使提高特性频率的隔音效果成为可能。

      然而，从本文的所有工作中可以发现，在一个较宽的频带上进行较大的隔声仍然不容易实现。当然，对于目前在ETFE膜建筑中常见的多层膜组成，可以考虑选择由不同材料参数和结构参数组成的多层超材料系列并行结构，以提高其宽带声传输损耗。因此，在未来的工作中，我们将研究声音传输损失特性规律的粒子增强EPDM/ETFE薄膜超材料在系列和平行于多个单元元素和多个尺寸，以进一步提高大的有效频带隔音（频段范围> 200赫兹低频和隔音> 30 dB）。

文章来源COMSOL 多物理场仿真技术