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前沿|新型声学超颖表面设计有望实现低频波段的声波操控!
柏岩 2016-08-11
导语

日前,法国国家科学研究中心研究人员在基于声学超颖表面操控声波方面的研究有了新的进展,设计的新型超薄声学超颖表面对于低频范围的声波有很好的吸收效果。

编者按:(本文来源声学在线,授权发布;)

声音渗透到我们生活领域的方方面面,对于声波这一古老而经典机械波的研究从未停止过。然而,声学理论与技术的发展离不开声学材料的支撑,由于天然声学材料自身声学属性的局限,挟制住了许多声学理论技术从理想走进现实。

打破局限,实现对任意频段声波的操控,一直是科学家们孜孜不倦的研究热点。法国国家科学研究中心(CNRS)和洛林大学(University of Lorraine)的研究团队一直对此进行着深入的研究。日前,法国国家科学研究中心(CNRS)首席科学家Badreddine Assouar和团队中另一位成员Yong Li博士在《Applied Physics Letters》杂志上发表了他们的最新研究成果。

图:传统的声学吸音材料

传统的声学吸音材料是采用与声波工作波长相当厚度的结构制成,显然,对于低频波段的声波,在实际应用中并不合理。超颖表面材料是一种在衬底表面加工出的超薄金属微纳结构人工复合材料,具有天然材料所不具有的超常物理性质,与声波相互作用时常表现出一些超常特性。近年来,在电磁波超构材料的研究基础上,由超颖表面材料构成的新型声学器件研究是声学领域的一个热点研究方向。

此次Assouar教授在论文中提出的就是一种新型超薄声学超颖表面(metasurface)设计,该声学超颖表面由多孔板和螺旋共面空气腔组成,主要处理深次声波波长降到65λ/223特征尺寸的声波。在完全耦合声学热力学方程和理论阻抗分析的基础上,利用数值模拟的结果显示底层物理特性和声学性能具有良好的一致性。此种声学超颖表面设计主要优势就是可以吸收次声波波长的声波,而吸音材料的厚度却很小,达到实际可应用的尺寸。

图:此次研究提出的型超薄声学超颖表面(metasurface)设计

通常,吸音系统的主要是通过声音进入吸音结构引发振动,将声能转换为热能,传统的吸音系统会在材质较硬的材料前放置多孔结构组成一个空气腔。为了弥补波长尺寸带来的问题,Assouar和他的团队设计了螺旋通道系统(如上图所示),让声波通过穿孔板的中心孔进入了盘绕的空气通道,在这一过程中,有效的增加了声波总的传播深度,获得了较低的声速和较高的声波反射指数。因为螺旋空气腔的声学电抗(类似于电阻的属性,在电路中阻碍电压或电流的变化)会补偿穿孔的电抗,并允许实现阻抗匹配,导致所有的声波能量转移到空气腔,而不是反射,最终完全被穿孔多孔洞吸收。

从阻抗分析与数值模拟的结果(如上图所示)分析具有良好的一致性。这一技术可以创建相对薄的吸音声学器件,同时仍然能保持更好的吸收特性。

Assouar教授及其团队未来的工作会通过3D打印制备这一超薄的声学超颖表面,并进行随后的性能分析。这一声学超颖表面设计将可能实现声学工程中的声波振幅和相位的可调,在一些特殊的应用中可实现声波传播轨迹的操控,如操纵粒子涡波阵面。

文章链接:

Yong Li, Badreddine M. Assouar. “Acoustic metasurface-based perfect absorber with deep subwavelength thickness.” Applied Physics Letters, 2016; 108 (6): 063502 DOI: 10.1063/1.4941338

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作者 柏岩

硕士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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