多孔材料內(nèi)部充滿狹小的空隙(圖1),聲音在其中傳播引起空氣分子的振動(dòng),通過(guò)狹小空隙中空氣的粘滯效應(yīng)可以大幅度將聲能轉(zhuǎn)化為熱能,達(dá)到高效、寬頻吸聲的目的。多孔材料具備吸聲效果優(yōu)異、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),是廳堂設(shè)計(jì)、軌道交通以及制造業(yè)中常用的吸聲材料。
在使用多孔材料構(gòu)造吸聲體時(shí),為了調(diào)節(jié)吸聲體表面聲阻抗,以保證聲波能更“順暢”地進(jìn)入吸聲體內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量的充分耗散,通常會(huì)將吸聲體的外形設(shè)計(jì)成“尖劈”等形狀。那么準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有不同高度、寬度的“消聲尖劈”的吸聲系數(shù)在設(shè)計(jì)吸聲體的幾何外形和結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)具有重要意義。
圖1 多孔材料和消聲尖劈
最早,尋找“消聲尖劈”合適的幾何尺寸只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法。研究人員需要制作大量不同幾何外形、不同結(jié)構(gòu)尺寸的“尖劈”樣件,并逐個(gè)測(cè)試樣件的吸聲系數(shù),在大量測(cè)試數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律,尋找最佳的“尖劈”形狀和尺寸。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法無(wú)疑是對(duì)人力、物力、財(cái)力的巨大浪費(fèi)。
近年來(lái),研究人員可以通過(guò)有限元、邊界元、時(shí)域有限差分等方法對(duì)“消聲尖劈”進(jìn)行數(shù)值仿真。這些方法需要網(wǎng)格劃分,涉及較高的專業(yè)知識(shí);并且三維計(jì)算量大,所需計(jì)算資源要求高。
針對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)“消聲尖劈”吸聲系數(shù)的需求,中科院聲學(xué)所楊軍研究員、賈晗研究員的研究團(tuán)隊(duì)提出了“消聲尖劈”的層狀嚴(yán)格耦合波分析方法!跋暭馀睂(shí)際使用情況下,通常是進(jìn)行周期鋪設(shè)的,所以研究人員將周期結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法引入“尖劈”的吸聲計(jì)算中。該方法首先將周期“尖劈”分成許多薄層,使得每一層可以近似為矩形周期調(diào)制(圖2)。那么,每一層的聲傳播都可以等同為單層周期結(jié)構(gòu)中的聲傳播進(jìn)行處理。然后,利用邊界連續(xù)性條件確定層間耦合關(guān)系,建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的聲學(xué)耦合方程,以此求解周期非平整界面吸聲體的反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸聲系數(shù)。
圖2 層狀嚴(yán)格耦合波分析方法的原理示意圖
該團(tuán)隊(duì)對(duì)多種不同外形和尺寸的吸聲海綿進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及有限元仿真,采用層狀嚴(yán)格耦合波分析方法計(jì)算的吸聲系數(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值、有限元仿真結(jié)果等非常接近,一致性很好,驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。
研究團(tuán)隊(duì)在該理論方法的基礎(chǔ)上,對(duì)低頻吸聲體的幾何參數(shù)進(jìn)行快速掃描,并結(jié)合遺傳算法對(duì)高斯曲面吸聲體的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的三角形和高斯疊加曲面的吸聲體在低頻段體現(xiàn)了優(yōu)異的吸聲效果,相比平面結(jié)構(gòu)的吸聲性能得到了顯著提升(圖3)。
圖3 基于層狀耦合波方法優(yōu)化的“尖劈”和高斯疊加曲面吸聲體及其吸聲系數(shù)
該研究團(tuán)隊(duì)提出的層狀耦合波分析方法,可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)周期吸聲體的吸聲系數(shù)計(jì)算;并且能夠有效結(jié)合遺傳算法等優(yōu)化算法,對(duì)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在實(shí)現(xiàn)吸聲結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)和快速優(yōu)化中具有重要應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)研究成果以題為“Absorption performance of nonplanar periodic structures solved by layered rigorous coupled-wave analysis”發(fā)表于期刊Mechanical Systems and Signal Processing。(作者:楊玉真)
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0888327021010232