基于声学超材料的低频声吸收体研究

噪声污染已然成为当今世界最为严重的环境问题之一,其严重影响了人们的正常工作与休息,亦于无形中对人们的身体健康造成了伤害。为此,人们做了很多努力来减小或消除噪声的不利影响。然而由于低频噪声的波长非常长,因而其具有超强的穿透能力,如何消除低频噪声一直都是颇具挑战性的课题。传统的声学材料如多孔吸声材料由于其满足线性响应理论,导致其对低频声波吸收效率非常低下。当使用传统的多孔吸声材料吸收低频声波时,需要很厚重的材料才能实现。为了使用亚波长厚度的材料有效地耗散低频声波,需采取特殊手段提高低频声波在介质中的能量密度,如通过共振。声学超材料的出现为构建共振型吸声体提供了全新的思路,同时呈现出巨大的应用前景,成为一个具有挑战性和重要性的前沿课题。在该背景下,本论文研究了基于声学超材料的亚波长声吸收体,包括单端口吸收体和双端口吸收体,具体内容如下:第一章从电磁超材料出发,概述了超材料的起源,并过渡到声学超材料,回顾了负参数声学超材料、近零参数声学超材料及正参数超材料的发展历程。第二章提出了一种单频带完美吸声体和多频带近完美吸收体。本章首先基于包覆多孔吸声材料的声学开口谐振环构造了损耗共振板(Lossy resonant plate,LRP),并基于LRP从理论上设计了一种深度亚波长(λ/37)的声学完美吸收体。借助于图形化的方法证明了完美吸声是由于系统达到临界耦合条件。此外,通过耦合LRP与刚性壁前的背腔实现了声学的宽带吸收,在从99.1 Hz到294.8 Hz的频率范围内获得吸收系数大于80%的声吸收。进一步地,本章基于双通道Mie共振器(Double-channel Mie resonator,DMR),从理论上和实验上构建了多频带的近完美吸收体。通过模式耦合理论,提取了系统的损耗因子和泄露因子,结果证明近完美吸收峰的产生得益于系统满足近临界耦合条件。因此,本章使用了两种不同的理论方法证明了完美吸收是由于临界耦合的结果,并提出了构建完美吸收体的方法。第三章从因果律出发,建立了一种获得宽带近完美吸收的物理模型,并且基于贴附薄层多孔吸声材料的卷曲空间(Coiled space resonator,CSR)从理论和实验上构建了一种亚波长的宽带近完美吸收体,在从228 Hz到319 Hz(波长λ从12.6倍到9.0倍的材料厚度)的频率范围内获得了>95%的吸收系数。进一步研究表明该吸收体对入射角具有良好的鲁棒性。此外,本章深入研究了耦合模式理论,在该理论的指导下,构建了超稀疏完美吸收体,并提供了设计多频带完美吸收体和宽带近完美吸收体的理论方法。第四章基于传递矩阵理论,提出了一种基于损耗布拉格堆(Lossy Bragg stacks,LBS)的非对称吸收体,即当声波从一端入射时,声能量被完美地吸收;而当声波从另一端入射时,大部分声能量都被系统反射。并且研究得到系统在吸收上的非对称性源于引入的损耗因子引起系统在反射上的非对称,而并没有打破系统的互易性。通过进一步研究,该非对称吸收在宽入射角内成立,且对系统引入的缺陷具有良好的鲁棒性。第五章提出了两种不同的理论方法构建异常吸声体,包括非对称吸收体和对称近完美吸收体。本章首先基于弱失谐的传统亥姆霍兹共振器对(Traditional Helmholtz resonator,THR)从理论和实验上构建了一个非对称吸收系统。研究表明该非对称吸收的产生归因于等效虚拟软边界的存在,并将非对称吸收拓展到多带和宽带。此后,从阻抗角度出发,提出了一种新的物理机制构造人工声学软边界,并提出了一种多阶亥姆霍兹共振器(Multi-order Helmholtz resonator,MHR)用于构造多带的异常吸声体。须强调的是,两种方法构造软边界的方式是不同的。从模式耦合的角度,前者是由两个具有不同共振频率的暗模构成,而后者则是通过具有相同共振频率的亮模和暗模耦合得到。第六章对论文进行了总结并对本研究未来的发展提出了展望。