[論文レビュー] 3D Single-port Labyrinthine Acoustic Metamaterial

Chi Zhang, Xinhua Hu|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2016

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 38被引用数 101

ひとこと要約

この論文は、深層サブ波長厚さを含む、可変バンド位置と幅を持つ完璧な低周波音吸収を実現する3D単口 labyrinthine 音響超材料を設計・製造・実験的に特性評価する。

ABSTRACT

In this paper, we report on the design, fabrication, and experimental characterization of a 3D single-port labyrinthine acoustic metamaterial. By using curled perforations with one end closed and with appropriate loss inside, the proposed metamaterial can perfectly absorb airborne sounds in a low frequency band. Both the position and width of the band can be tuned flexibly. A tradeoff is uncovered between the relative absorption bandwidth and thickness of the metamaterial. When the relative absorption bandwidth is as high as 51%, the requirement of deep subwavelength thickness (0.07λ) can still be satisfied.

研究の動機と目的

• 3D単口 labyrinthine metamaterials を用いて、低周波域での空気中音の完璧な吸収を動機付け、実現する。
• 臨界損失、共振周波数、および相対帯域幅を予測する解析式を開発する。
• 吸収帯域幅と厚さの調整可能なトレードオフを実証する。
• 高い吸収を達成しつつ深いサブ波長厚さの実現可能性を示す。
• 狭帯域減衰構造と多孔質吸収体の概念を橋渡しする。

提案手法

• 閉じ端が1つの曲がったチャネルを、損失を伴う1ポート共振器としてモデル化し、インピーダンス整合および単一吸収を予測する。
• 共振周波数 f_m および臨界損失 β_m、ならびに相対帯域幅 Δf/f_m の解析式を導出する。
• 完全波シミュレーションおよび実測値で式を検証する。
• 制御されたチャネル幾何を用いた3DプリントPLAユニットセルを製作し、標的吸収を実現する。
• 吸収スペクトルを特性化し、結果を解釈するために品質因子 Q_a および Q_r を抽出する。
• ピークの融合によって広帯域吸収を実現するためにマルチチャネルユニットセルへ拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲がった端が1つの閉端チャネルをもつ3D迷路状のメタ材料は、低周波数でほぼ完璧な吸収をどのように達成できるか？
• RQ2 チャネル損失、共振次数、吸収帯域幅と厚さの関係はどのようになるか？
• RQ3 サブ波長厚さを維持しつつ、マルチチャネルユニットセルは吸収帯域を広げられるか？
• RQ4 チャネル幾何とともに吸収（吸収品質因子）と放射品質因子 Q_r がどのように変化して吸収性能を支配するか？

主な発見

• チャネル損失を臨界値に調整した場合、単一ポートの3D迷路状メタ材料は低周波共振で完璧な吸収を達成できる。
• 相対吸収帯域は深いサブ波長厚さ（0.07λ）で最大で51%に達する。
• 解析式は f_m および β_m を正確に予測し、シミュレーションと実験と一致する。
• チャネル寸法と高さはピーク振幅と帯域幅を制御し、最適な q の近傍で Q_a ≈ Q_r となる。
• 6チャネルを有するユニットセルは105 Hz〜177 Hzの吸収帯を生み出し、相対帯域幅は51%、サブ波長厚さ。
• チャネル数を増やすとより広い帯域と重なり合う共振が生じ、広い周波数レンジにおいて超広帯域吸収（>95%）を実現できる。