[论文解读] 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 101

一句话总结

本文设计、制造并对三维单端口迷宫式声学超材料进行实验表征，能够在可调带位和带宽的条件下实现对低频声学的完全吸收，且厚度达到深亚波长量级。

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.

研究动机与目标

• 使用3D单端口迷宫式超材料激励并实现对低频段空气声的完全吸收。
• 发展解析公式，以预测临界损耗、共振频率和相对带宽。
• 展示可调的吸收带宽与厚度的权衡。
• 在实现高吸收的同时，展示深亚波长厚度的可行性。
• 在窄带阻尼结构与多孔吸声体之间建立概念桥梁。

提出的方法

• 将卷曲的单端闭合通道建模为带损耗的一端口谐振腔，以预测阻抗匹配与单位吸收。
• 推导共振频率 f_m 和临界损耗 β_m 以及相对带宽 Δf/f_m 的解析表达式。
• 用全波数值仿真与实验测量来验证公式。
• 制造具有受控通道几何的3D打印 PLA 单元，实现目标吸收。
• 表征吸收光谱并提取品质因数 Q_a 与 Q_r 以解释结果。
• 扩展到多通道单元以通过峰值合并实现宽带吸收。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有卷曲、单端闭合通道的3D迷宫式超材料如何在低频实现近乎完美的吸收？
• RQ2 通道损耗、共振阶次与吸收带宽及厚度之间的关系是什么？
• RQ3 多通道单元是否能在保持亚波长厚度的同时拓宽吸收带？
• RQ4 吸收性品质因数和辐射性品质因数如何随通道几何形状的变化而演化，从而决定吸收性能？

主要发现

• 单端口3D迷宫式超材料在通道损耗调谐到临界值时，可以在低频共振处实现完全吸收。
• 在深亚波长厚度（0.07λ）下，相对吸收带宽可达到高达51%。
• 解析公式可准确预测 f_m 与 β_m，并与仿真与实验吻合。
• 通道尺寸和高度控制峰值幅度与带宽，在近最优 q 时 Q_a ≈ Q_r。
• 一个六通道的单元在105 Hz到177 Hz之间产生吸收带，具有51%的相对带宽和亚波长厚度。
• 扩展到更多通道可产生更宽的带宽和重叠的共振，实现跨越更大频率范围的超宽吸收（>95%）。