基于comsol的压力声学-热黏性声学模块模拟一种具有多阶吸声的低频宽带薄超表面

研究背景：

由于传统材料的能量耗散较弱，低频吸声一直是研究人员面临的一个具有挑战性的课题。近年来，声学超材料发展迅速，具有前所未有的优异低频性能。已经设计了一系列亚波长厚度的超材料，以实现对低频声音的100%吸收。例如，由弹性膜和刚性盘组成的膜型超材料可以吸收某些频率下几乎所有的入射声能，其厚度甚至比峰值吸收波长小两个数量级。然而，由于薄膜柔软，它很容易受到机械损伤。卷曲空间超材料是另一种重要的声学超材料，它可以通过增加声路来实现极端的吸声性能。然而，由于谐振特性，大多数超材料只能在窄频带内获得良好的吸收性能，这限制了实际应用。

研究内容：

我们提出了一种具有多级吸声的薄多单元超表面的理论和实验实现，该超表面在450 Hz–1360 Hz的宽带范围内表现出连续的近乎完美的吸收光谱。超表面单元是穿孔复合亥姆霍兹谐振器（PCHR），其通过将一个或多个带有小孔的分离板插入亥姆霍茨谐振器（HR）的内部来构造。可以实现多阶吸声机制，使得在原始吸收峰值和结构尺寸不变的情况下，通过PCHR单元在更高的频率下获得多个接近完美的峰值。

图1.PCHR装置的三维视图及xy平面截面图

图2.二阶PCHR单元（蓝色）和原始HR（红色）的吸声系数

数值模拟：

为了验证这一理论模型，使用商业软件COMSOL Multiphysics开发了一个数值模拟模型。由于粘性摩擦和热传导对声能量耗散有很大影响，本模型采用压力声学-热黏性声学相互作用模块。

（1）建立几何模型

图3.几何模型的构建

（2）设置物理场

图4.物理场的设置

（3）吸声系数计算

图5显示了PCHR仿真复现的吸声系数，数值模型计算的吸声系数与原文中结果相比显示出了良好的一致性。PCHR单元获得两个接近完美的吸收峰f1  = 385Hz和f2  = 1000Hz，这是由二阶吸收机制产生的。该结构的总厚度为17 mm，揭示了在深亚波长范围内的优异吸收能力。

图5.PCHR吸声系数的仿真复现