实验名称：声学超材料以及拓扑声学的研究

　　实验目的：由于需要找到吸声性能与通风性能之间一个合适的平衡，高效吸收低频声音(<1000Hz)在保持流体自由流动的同时仍然是声学工程中的重大挑战。尽管声学超材料的不断发展释放了前所未有的可能性，并且已经提出了各种超材料吸收器，但它们中的大多数仅在没有背散射的情况下才能充分发挥作用。不幸的是，由于声波是一种纵波，这种情况需要完全阻塞流体通道，这使得它们可以穿透任何小孔。否则，它们的吸收性能可能会大大降低，通常不能超过50%。吸收和通风性能之间的这种基本权衡无疑限制了它们在需要自由气流的日常情况下的应用。尽管研究者已提出了一些具有较大传输损耗的通风声屏障，但它们仅仅只是反射了声波做到隔绝声音，但这些声波仍然存在。在此，为克服这些困难，我们提出并通过模拟和实验验证了一种超开放式通风超材料吸收器。实验证明，针对低频声音的吸收器可同时确保高性能的吸收和通风。我们通过耦合损耗的有效模型解释这种谐振腔的机制。此外，吸收器可以根据吸声系数与极限厚度的因果律为原理，进行简单地堆叠，使其能在定制的宽带中工作的同时保持良好的通风性能。

　　测试设备：ATA-304B功率放大器、数据采集分析仪、扬声器、麦克风等

　　实验过程：

　　使用3*3晶格阵列排布的UVMA单元作为框架组装在一起，构成了类似吸声墙的超材料吸收体，如图2.1(a)所示。对于这晶格排列的超构材料，在其上方特别大的空腔允许背景流体(如空气或水)通过自由流动通过结构。在本文提到的研究中，我们假定该结构浸没在空气中。而为了同时实现对于低频声波的高效吸收和气流的自由流动，入射到UVMA单元上的声波应被完美吸收。对于单个的UVMA超胞单元组合成一个矩形格子中，沿x和y方向的晶格常数分别为L/4和L，由四个UVMA单元组成，如图2.1(b)所示。对于单个UVMA单元的细节，我们通过取下盖子的方式对UMVA单元的详细信息进行展示，如图2.1(c)所示。每个UVMA单元由两个对称放置的分流管谐振器组成，并通过连接它们之间的窄缝形成弱耦合。单个UVMA单元在xz平面上的剖面图展示了结构相同但方向相反的裂口管谐振器，如图2.1(d)所示。我们确定了UVMA超构材料的适当几何参数，以使该结构在对于低频声波具有最佳的吸收和通风性能。

　　用图2.1.(e)所示的设置对它们的吸收性能进行实验验证，所有声学测量均在四边形阻抗管中使用普通的四麦克风双负载方法进行。阻抗管由两个铝制方管(内截面为147×147mm2，管厚度为5mm)，一个全频扬声器(中国，M5N，HiVi)组成，四个麦克风(中国，BSWA，MP418)，功率放大器(中国，Aigtek，ATA304)和数据采集分析仪(中国，BSWA，MC3242)。铝管的平面波截止频率为〜1100Hz。两个铝管的长度分别为600mm和400mm。使用厚度为4mm的夹紧铝板作为刚性背板，以模拟声学硬边界端接。拆下背部的铝板后，管中的声音会散发出外界，从而模拟出开放边界的声学终端。它们在测量中充当两个不同的终端负载。

　　图2.1.(a).以矩形点阵排列的UVMA超胞组合示意图。(b).UVMA超胞单元的示意图，它由四个UVMA单元组成，沿x(y)方向的晶格常数分别为L(L/4)。(c).单个UVMA的透视图，如(b)中的虚线矩形所示部分。为了演示其内部细节，我们旋转了结构并卸下了两端盖板。(d).在xz平面上UVMA单元的剖面示意图。(e).用于声学测量的实验装置。阻抗管的横截面为正方形(147×147mm2)，并采用标准的四麦克风方法进行测量。插图显示了放置在阻抗管中的已加工样品的照片。

　　为验证样品吸声率与参数关系的模拟结果，我们在声波管中然后进行UVMA单元声学特性的实验测量。我们只做并研究了两种UVMA样品，分别标记为这两种样品为样品I。样品I与样品II的开口率(开放面积)为分别为72.8%和69.4%。如图2.3.(a)中显示了我们通过四麦克风法所测得的这两个样品的透射率和反射率(虚线)，与模拟结果(实线)非常吻合。反射谱和透射谱都在共振频率附近出现下降，这意味着UVMA超构材料在共振频率处高效吸收。如图2.3.(b)所示，模拟吸收和测量吸收的结果表明彼此之间存在着一致性，很好的吻合在一起。在实验中，对于样品I与样品II，如红色与紫色的箭头所示，分别在637Hz与472Hz下测得的吸收率达到93.6%和97.3%。作为参考，还测量了两种三聚氰胺吸声泡沫(BasotectG+，德国巴斯夫)的声学性能。它们被标记为泡沫I和泡沫II，分别具有与样品I和样品II相同的尺寸，并且将它们的吸收谱在图2.3.(b)中以灰色实线进行了绘制。与市场上优质的吸声泡沫相比，UVMA单元在低频共振附近有卓越的声学吸声性能。

　　实验结果：

　　如图2.3.(d)所示，两个谐振器在谐振时的声压表现出90°的相位差。此相位差表明对于其对称面(z=0)可以看作是引入了180°相位差的声学软边界和引入了0°相位差的声学硬边界的叠加。我们使用COMSOL仅对UVMA单元的一半进行仿真模拟，分别以声学软边界或硬边界为终止条件。发现单个UVMA单元的吸收是对称和反对称的UVMA单元的一半的平均值，因此证实了该解释是准确的。由于硬声和软声边界都充当背散射条件，它们会引起入射声音的多次散射，从而使两个单独的分流管谐振器的谐振模式混合。这种耦合是获得有效吸收的关键。此外，由于在硬边界和软边界之间反射的波具有180°的相位差，因此它们往往会相互抵消，从而确保了在双端口的通风情况下接近完美的声吸收。

　　图：ATA-304B功率放大器指标参数

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