基于声学超材料的超薄吸声结构的吸声机理研究

The effective absorption of low frequency sound is inevitable in the application of room acoustical design and noise control. To achieve good low frequency sound absorption in constrained space is always a challenge. Coiling up space is an effective way to control sub-wavelength sound in the field of acoustic metamaterials. Focused on the ultra-thin absorbing structure, the project aims to investigate the effects of the space-coiling on the performance of resonant absorbing structures. Coiling up space can be categorized into 2D coiling and 3D coiling. The physical parameters of the coiling structures including pattern, thickness and curvature have a great impact on the sound propagation which is a main focus of this project. The sound propagation in coiling space and the sound performance of the proposed absorbing structure can be obtained based on the combination of the theoretical, numerical and experimental studies. Further study of the acoustical behavior of the coiling structure will be conducted to reveal the relation between the thickness and sound absorption performance of the structure and to prove the possibility of the ultra-thin design of the absorbing structure. This study will provide an effective way to control low frequency sound in limited space.

低频声的有效吸收是室内音质设计和噪声控制必不可少的要求，如何在有限空间实现良好的低频声吸收一直是建筑声环境设计中一个难题。卷曲空间是声学超材料中一种实现对亚波长声波控制的有效方法。本项目以超薄吸声结构为对象，研究卷曲空间对于共振型吸声结构吸声性能的影响和规律。卷曲空间包含平面卷曲和空间卷曲，卷曲结构的物理特性例如形状，厚度，弯曲的程度，对声波在其中的传播都有重要影响，这是本项目的研究重点。通过理论研究，数值模拟和实验验证的方法，得到卷曲结构中声传播的机理，进而研究基于卷曲空间吸声结构的吸声性能。深入分析卷曲空间的声学特性，揭示其厚度对吸声结构吸声性能的影响，证明基于卷曲空间这类声学超材料来改善低频声波吸收，实现吸声结构超薄设计的可行性。研究结果将为建筑声环境低频声控制提供一种节约空间的有效途径。

本项目针对有限空间内低频噪声的有效吸声，旨在基于卷曲空间结构，研究卷曲空间对于共振型吸声结构吸声性能的影响和规律，实现共振吸声结构的超薄化。主要研究内容包括声波在卷曲空间中的传播特性、基于卷曲空间吸声结构的吸声性能研究以及吸声结构的超薄设计。平面卷曲结构类型是卷曲空间研究的基本结构，平面卷曲吸声结构本质上为一种共振吸声结构，当入射声波的频率和共振结构的固有频率相同时，结构激发的振动最为强烈，消耗的声能量达到最大，因此吸声系数在共振频率处最大。项目主要研究了圆形卷曲和矩形卷曲两种基本结构，其吸声特性与四分之一波长管相似，通过卷曲的形式，可以在亚波长尺度内实现声波的有效吸收。采用有限元分析方法对声波在卷曲空间中的传播机理进行深入研究，利用传递函数法对平面卷曲结构的吸声系数进行数值仿真研究。结果表明，卷曲结构的厚度远远小于共振频率声波波长的四分之一，在该方向上实现共振吸声结构的超薄化。螺旋圈数越多，其共振频率越低，螺旋管长度基本与共振频率波长的四分之一波长相当。单层卷曲结构的吸声性能主要集中单个共振频率处，为了拓宽共振吸声频率范围，可以选用多层卷曲结构。以双层圆形卷曲吸声结构为例，其有效吸声频率包括两个频率，由各层的卷曲结构，也就是螺旋圈数决定。根据所需的频段范围，通过合理调整每层卷曲结构的螺旋圈数，采取多层结构可以实现更宽频段范围内超薄吸声结构的有效吸声。此外，为了更好地理解建筑声环境的影响因素，项目还增加了建筑声环境的分析与评价研究内容，总结了声环境的研究方法，结合地域特征，对以古城为例等的建筑声环境进行了研究。