Comsol 蜂窝型薄膜超声学超材料的隔声性能计算分析

   

声学超材料是指由人工特殊设计的具有超常物理性质的周期性排列的新材料或新结构，其基于局域共振原理能在低频段实现较好的隔声效果。其中薄膜声学超材料结构简单，易于实现轻质化低频隔声，具有很广泛的应用前景。本文设计了一种蜂窝型的薄膜声学超材料结构，并对其低频隔声特性以及宽频隔声设计展开研究。根据目前低频段噪声处理需求，设计了一种新型的蜂窝型的薄膜声学超材料结构，由正六边形的基本单元周期阵列构成。其基本单元包括正六边形上下层框架、框架之间的弹性薄膜和中央的质量块。

利用 COMSOL 软件中的结构力学模块和声学模块对单胞元结构建立有限元仿真模型。首先从外部导入单胞元结构三维模型，在导入模型的基础上建立流体域空间；然后在 COMSOL 的材料库中选出所需要的材料或者自定义材料，将不同的空间部分赋予流体属性（即空气）或固体属性，并根据其属性选择对应的材料；接下来设置模型的边界条件和入射声波载荷，以及定义求解变量；最后根据模型情况使用合理方法划分网格并求解。其中 COMSOL 软件中自动划分网格功能可以在模型的流体域（空气）等生成质量较好的网格，但是薄膜区域需要单独划分，根据模型尺寸和电脑计算能力选择合适尺寸划分网格。建立的声学超材料单胞元结构的有限元模型如图所示，整个有限元模型包含超材料两侧的圆柱空气流体域和中间的蜂窝型超材料固体区域。在空气域两端分别设置声波入口和出口的平面波辐射边界条件，入射声压值设为 1Pa，空气域四周边界默认为硬声场边界（壁）。超材料周围设置一个内部硬声场（壁）边界，即障板，保证所有入射声波除蜂窝超材料结构外不会从其他区域透射和泄露。将超材料的框架周围和薄膜周围施加固定约束，模拟试验中阻抗管的测试安装环境。

• 模型构建
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• 网格划分
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• 边界条件与求解器range(20,20,1500)Hz

论文结果

复现结果

通过计算可以得到蜂窝型薄膜声学超材料单胞元结构的声传递损失曲线，蜂窝超材料的单胞元结构在 280Hz 产生一个超高的隔声峰，隔声量达到 50.3dB，隔声量超过 20dB 的频段从 140Hz 至 500Hz，宽度约达 360Hz，计算结果表明了单胞元结构在低频段隔声效果是非常显著的，明显优于传统的均质材料或多层隔声结构，但是分别在 60Hz 和 1040Hz 处出现两个隔声低谷。也就是说，蜂窝型薄膜类声学超材料可以在低频段某个频带上拥有良好的隔声性能，但也有部分频段隔声效果较差。蜂窝超材料隔声性能受诸多因素的影响，包括尺寸大小、质量块与薄膜接触面积等等，所以需要分析其结构参数对隔声性能的影响规律，以及蜂窝超材料的隔声机理，通过进一步结构设计使其拥有较宽频带的隔声峰，在特定的频段下发挥优异的隔声性能，具有较好的应用价值。

论文结果

复现结果

声传递损失曲线中第一个隔声谷出现在 60Hz，接近单胞元的第一阶固有频率，对应的振动形态如图所示，弹性薄膜和中间质量块在声波激励下同向运动。这是由于二者组成的弹簧-质量系统共振引起的，此时声波通过薄膜完全透射到另一侧，蜂窝超材料单胞元结构不起隔声作用。振动变形主要集中于中心质量块区域，由此可以知道第一个隔声谷值主要和中心附加质量块的振动相关。

声传递损失曲线中隔声峰值出现在280Hz，处于第一阶和第四阶两个固有频率之间，此时振动形态如图所示。中间质量块有向上的振动位移，周围一圈的弹性薄膜有向下的振动位移，即等效的弹簧-质量块系统发生反向共振，呈现出负等效质量特征。在此频率下二者的反向运动使整体的平均位移趋于零，即单胞元处于光学振动模式，声波在此时处于全反射的状态，蜂窝超材料系统隔声效果最好。

声传递损失曲线中第二个隔声谷出现在 1040Hz，接近单胞元第四阶固有频率，对应的振动形态如图所示。质量块区域无明显振动位移，主要是四周弹性薄膜的振动变形，这是由于薄膜在声波激励下共振所引起的，此时声波轻易从薄膜透射到另一侧，隔声量低。同理我们可以得到结论，第二个隔声谷主要和薄膜振动有关，受薄膜的影响更大，因此在设计蜂窝超材料时，改变薄膜的属性可以调节第二隔声谷的位置。

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