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声学前沿动态 | 基于超材料的声学偏转器研究

通常来说声波在波导传播过程中遇到转弯区域时,边界的不规则散射会引起波导中模式的强烈破坏。为了解决这个问题,中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室利用声学超材料设计了声学偏转器,可以在波导转弯区域实现声波的等相位偏转。声学超材料是一种新型人工结构材料,是由亚波长单元周期排列组合而成,声学超材料的物理特性由单元的排列方式和单元的几何尺寸决定。与传统材料不同的是,声学超材料的物理参数可调范围极大,可以实现负密度、负模量、零折射率、各向异性密度、各向异性模量等奇特参数。因此声学超材料给声学器件的设计带来了更多的可能。

图1. 穿孔板单元孔径大小、侧腔腔体高度对材料等效密度和模量的影响

 

此次研究中采用了周期排列的梯度结构单元,利用声学超材料的等效物理参数完成了空气中声学偏转器的设计工作。该研究通过调节穿孔板的孔径大小来调节材料的等效密度,通过调节侧腔体积来调节材料的等效模量。从图1可以看到这两者的调节几乎是相互独立的,并且相对密度和相对模量的调节范围足够大,充分满足设计需求。

图2. 声学偏转器(穿孔板单元)仿真和实验结果对比图

我们知道声传播路径是受介质的折射率分布影响的,声能量透射是受介质的阻抗大小影响的。本研究首先利用穿孔板单元设计了满足折射率分布的声学偏转器,并从仿真和实验两个方面对器件的有效性和可行性进行了验证。图2所示是声学偏转器的实验结果和仿真结果对比,可以看到声波通过声学偏转器后偏转了90°并且声波相位保持不变,实验结果和仿真结果与理论预测一致并且吻合良好。利用穿孔板实现的声学偏转器虽然结构简单,但是损失了一定的阻抗匹配,因此声能量透射受到影响。于是在后续工作中,引入了侧腔单元,利用穿孔板和侧腔复合单元实现对折射率和阻抗的共同调节,解决了阻抗失配的问题。改善后的声学偏转器能量透射提高了近30%,在工作频段(1100-1300Hz)内的声能量透射率达到93%以上。

图3. 声学偏转器在声景观中的作用示意图

该研究所提出的空气声学偏转器在环境声学中有着潜在的应用前景。当前声屏障通过吸隔声来阻碍噪声传播,其在低频段的工作效率比较低。将来若将声学偏转器结构引入声屏障设计中,可以有效调控声波的传播方向,规避低频吸隔声难题,将噪声偏转至特定方位,从而减少噪声伤害。此外,还能利用声学偏转器在引导声能量同时可保持声场波前分布不变的优点,将特定声场分布引导到指定位置,在公园、广场等城市公共场所进行声景观改造(图3)。

 

文献链接:1  Lu W, Jia H, Bi Y, Yang Y, and Yang J. Design and demonstration of an acoustic right-angle bend, The Journal of the Acoustical Society of America, 142
(1),  84-89, (2017).
2  Yang Y, Jia H, Lu W, Sun Z, and Yang J. Impedance-matching acoustic bend composed of perforated plates and side pipes, Journal of Applied Physics, 122 (5), 054502, (2017).
 

本文由中国科学院声学研究所贾晗副研究员供稿。
 

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