[论文解读] Optimal Sound Absorbing Structures

Min Yang, Shuyu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2016

Acoustic Wave Phenomena ResearchEngineering被引用 20

一句话总结

本文提出了一种新颖的吸声结构，通过将传统吸声海绵与定制的声学超材料背衬相结合，实现了从400 Hz起的近乎完美、宽带吸声，其厚度仅为12 cm。该结构几乎达到由因果性决定的理论最小厚度，展示了接近因果极限的吸声性能，并获得了出色的实验验证。

ABSTRACT

Causal nature of the acoustic response, for any materials or structures, dictates an inequality that relates the absorption spectrum of the sample to its thickness. We present a general recipe for constructing sound-absorbing structures that can attain near-equality for the causal relation with very high absorption performance; such structures are denoted optimal. Our strategy involves using carefully designed acoustic metamaterials as backing to a thin layer of conventional sound absorbing material, e.g., acoustic sponge. By using this design approach, we have realized a 12 cm-thick structure that exhibits broadband, near-perfect flat absorption spectrum starting at around 400 Hz. From the causal relation, the calculated minimum sample thickness is 11.5 cm for the observed absorption spectrum. We present the theory that underlies such absorption performance, involving the evanescent waves and their interaction with a dissipative medium, and show the excellent agreement with the experiment.

研究动机与目标

• 设计接近由因果性决定的理论最小厚度的吸声结构。
• 克服传统吸声器的局限性，后者通常需要较厚的层才能实现宽带吸声。
• 在最小厚度下实现宽频带范围内的近乎完美吸声。
• 验证将倏逝波、耗散媒质与声学系统中因果响应联系起来的理论框架。

提出的方法

• 该方法采用一层薄的常规吸声海绵，背面衬以精心设计的声学超材料，以调控倏逝波。
• 该设计利用倏逝波与超材料耗散特性的相互作用，增强能量吸收。
• 理论建模基于吸收谱与厚度之间的因果关系，该关系源自声学中的克雷默-克罗尼格关系式。
• 超材料被优化以支持与海绵界面附近倏逝场高效耦合的共振模式。
• 通过12 cm厚的原型进行实验验证，测量了整个可听频段的吸收谱。
• 将理论预测与实验数据进行比较，确认其在因果界限内的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸声结构能否在接近由因果性决定的理论最小厚度下，实现近乎完美且宽带的吸声？
• RQ2 倏逝波与耗散媒质如何在薄结构中相互作用以增强声学吸声？
• RQ3 工程化声学超材料在实现亚波长吸声且厚度最小化方面发挥何种作用？
• RQ4 在实际设计中，吸声与厚度之间的因果不等式能在多大程度上被逼近？

主要发现

• 12 cm厚的结构从400 Hz起实现了平坦且近乎完美的吸收谱，宽频带内吸收率超过95%。
• 计算得出实现所观测吸收谱所需的理论最小厚度为11.5 cm，表明该结构仅偏离因果极限4%。
• 实验结果与基于倏逝波耦合和耗散响应的理论预测高度一致。
• 采用定制的声学超材料背衬，可实现与倏逝模态的强耦合，显著增强薄结构中的吸声性能。
• 该设计表明，因果性对吸声器厚度施加了基本下限，而通过结构化材料可接近该极限。