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孟杨:Softresonator of omnidirectional resonance……

北航动力研学书院2020-06-11 14:15:02

【作者简介】

孟杨,男,汉族,198912月出生,北京航空航天大学能源与动力工程学院航空宇航推进理论与工程专业2013级博士研究生。

研究生阶段阅读了大量的中英文专业书籍,并积极参加校内外组织的学术交流活动,较好地把握了本领域的国内外科研动态,为开展课题研究打下了扎实的基本功。自2012年入学起曾开展了穿孔板声衬声阻抗理论模型的研究,从理论分析的角度讨论了流体边界层速度剖面对声学特性的影响规律。2013年起开始从事有关声学超材料的研究,所在团队提出了一种不同于经典Helmholtz共振器的声学共振元,由弹性球膜和封闭气腔组成,类似于气球或气泡。这种软共振元可在亚波长尺度上产生理想的单极子共振,表现出负的等效体积模量,在带隙频率处几乎完全阻隔入射声波,并研究中建立了以此为基元的声学超材料理论模型。其本人通过实验,最终以一种弹性球作为实验模型开展了验证工作,结果表明隔声量达到15-40分贝,而其密度仅仅稍高于空气密度。这项研究工作已发表在Scientific Reports上。

【论文简介】

当前在航空领域,采用传统的声学材料与降噪方案进行噪声控制已达到了技术瓶颈。为了实现进一步降噪,学者们寄希望于声学超材料的研究。超材料的概念源自于电磁学,而声学超材料的研究工作具有其特有的难点。如何让小巧的结构对波长长于其十倍以上的低频声波产生作用,这给声学超材料的设计带来了很大的挑战。

类比于电磁波中的负介电常数与负磁导率,声学超材料也具有两个非常重要的等效参数,分别为:等效质量密度与等效体积模量。对普通声学材料来说,这两个参数均为正值,而声学超材料由于其结构的特殊性可以实现负的等效质量密度与负等效体积模量。这些“反常”的特性加以利用即可实现如声学隐身、声学聚焦及声学超透镜等革命性的声学控制技术。目前,负等效质量密度类型的声学超材料具有诸多实现的方式,而负体积模量类型相对单一,基本上仅存两类:其一是泡沫类声学超材料,巧妙地利用了气泡本身的单极子共振特性。然而这种材料一般需要保存在液体当中,且只能处理相当高频的声波,这给其应用带来了极大的限制;另一类基于传统的Helmholtz共振腔,但其结构一般较为笨重,尤其针对低频声波,腔体的体积要求很大,亦很大程度上限制了其实际应用。因此,怎样实现一种新型负体积模量超材料,在控制低频声波的同时保证其轻质和实用性成为了学术界一直关注的问题。

作者所在的团队从玩具气球中获得了灵感,提出了一种气球状声学超材料,由弹性球膜封闭气腔组成,结合了上述两类负等效体积模量超材料结构的优势。首先,这种新型材料的声振子等效质量来自于固态球膜,而非Helmholtz共振腔腔口的空气气柱或泡沫类材料的液态膜,这使其有效工作频率(带隙频率)得到了显著的降低;其次,这种材料在正常环境中不存在如何保存的问题,有效弥补了泡沫类材料的缺陷。为了验证,作者团队在声波导管中对这种材料的声学特性进行了精确测量。实验采用了一种精度很高的“双负载”方法测量声传播损失,并由传播损失、反射系数换算成等效的宏观参数:质量密度与体积模量。实验结果证明了这种材料具有负体积模量的特性,并且带隙频率被成功控制在1000Hz以下,在该频率处获得了15-40分贝的隔声量,几乎完全阻隔了入射声波。在达到如此显著效果的同时,这种材料的等效密度仅仅稍高于空气密度。考虑到这种材料具有亚波长单极子共振特性,研究中采用了“均一化”方法建立了集总参数理论模型。该模型给出的结果与实验结果一致性很好,并启发了研究团队进一步降低带隙频率的方案。

【论文分享】

 



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