微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声行为

张丰辉; 唐宇帆; 辛锋先; 卢天健

doi:10.7498/aps.67.20181368

摘要

民用及国防工业领域对工程材料结构提出了更高的应用需求.单一材料结构越来越难以满足实际应用需求，通过人工复合结构实现超常单一及多物理性能的超材料设计已经成为材料结构应用的重要发展方向.本文基于传统的蜂窝夹层结构，在其内部引入波纹结构，并在面板和波纹上分别进行微穿孔形成微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料，在其优异力学承载基础上，实现了低频段的宽频有效吸声降噪.应用微穿孔板吸声理论和声阻抗串并联理论，建立了微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料的吸声理论模型；发展了考虑黏热效应的声传播有限元模型，通过数值模拟验证了理论模型的准确性，并数值计算了声波在超材料微结构内的黏热能量耗散分布，发现超材料能量耗散主要集中于微穿孔处的黏性边界层；进一步开展了超材料吸声参数和尺度设计参数的分析讨论，阐明了不同尺度设计参数对超材料吸声性能的影响规律.本文工作对兼具力学承载与吸声降噪的新型材料结构设计有重要的理论指导价值.

关键词:

Abstract

A novel acoustic metamaterial is proposed by making micro-perforations on both the top facesheet and the corrugate plates of sandwich plate with honeycomb-corrugation hybrid core. The hybrid-cored metamaterial is ultra-lightweight, occupies a small volume, and exhibits excellent mechanical properties and good low-frequency sound absorption property. Based on the classical Maa theory of thin plates with micro-perforations, a theoretical model of sound absorption is established for the proposed metamaterial. The method of finite elements is subsequently used to validate the model, showing that their good agreement is achieved. Physical mechanism behind the energy dissipation in each sub-structure of the metamaterial is explored. It is found that the main route of energy dissipation is via viscous effect at the micro-perforation, and thermal dissipation is negligible. The influence of key geometrical parameters, such as upper facesheet thickness, perforation diameter and corrugated plate thickness, on sound absorption is systematically investigated. The present results are helpful for designing multifunctional lightweight materials/structures for simultaneous load-bearing, energy absorption and noise control.

Keywords:

作者及机构信息

1. 西安交通大学, 机械结构强度与振动国家重点实验室, 西安 710049;

2. 西安交通大学, 多功能材料与结构教育部重点实验室, 西安 710049;

3. 南京航空航天大学, 机械结构力学及控制国家重点实验室, 南京 210016

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：11761131003，U1737107，11772248）和陕西省留学人员科技活动择优资助项目（批准号：2017025）资助的课题.

Authors and contacts

1. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;

2. MOE Key Laboratory for Multifunctional Materials and Structures, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;

3. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11761131003, U1737107, 11772248) and the Shaanxi Foundation for Selected Overseas Chinese, China (Grant No. 2017025).

参考文献

[1]	Liu Z Y, Chan C T, Sheng P 2005 Phys. Rev. B 71 014103
[2]	Fang N, Xi D J, Xu J Y, Ambati M, Srituravanich W, Sun C, Zhang X 2006 Nat. Mater. 5 452
[3]	Deng K, Ding Y Q, He Z J, Zhao H P, Shi J, Liu Z Y 2009 J. Appl. Phys. 105 788
[4]	Ambati M, Fang N, Sun C, Zhang X 2007 Phys. Rev. B 75 195447
[5]	Farhat M, Enoch S, Guenneau S, Movchan A B 2008 Phys. Rev. Lett. 101 134501
[6]	Duan Y, Luo J, Wang G, Hang Z H, Hou B, Li J, Sheng P, Lai Y 2015 Sci. Rep. 5 12139
[7]	Christensen J, Romero-Garcia V, Pico R, Cebrecos A, Garcia de Abajo F J, Mortensen N A, Willatzen M, Sanchez-Morcillo V J 2014 Sci. Rep. 4 4674
[8]	Christensen J, Willatzen M 2014 Appl. Phys. Lett. 105 043508
[9]	D'Aguanno G, Le K Q, Trimm R, Alu A, Mattiucci N, Mathias A D, Akoezbek N, Bloemer M J 2012 Sci. Rep. 2 340
[10]	Fan L, Chen Z, Zhang S Y, Ding J, Li X J, Zhang H 2015 Appl. Phys. Lett. 106 151908
[11]	Song K, Lee S H, Kim K, Hur S, Kim J 2014 Sci. Rep. 4 4165
[12]	Li Y, Liang B, Zou X Y, Cheng J C 2013 Appl. Phys. Lett. 103 063509
[13]	Mei J, Ma G C, Yang M, Yang Z Y, Wen W J, Sheng P 2012 Nat. Commun. 3 756
[14]	Wang W B, Zhang Z J, Zhang Q C, Jin F, Lu T J 2016 Theor. Appl. Mech. Lett. 6 54
[15]	Han B, Qin K, Yu B, Wang B, Zhang Q, Lu T J 2016 Mater. Des. 93 271
[16]	Sakagami K, Nakamori T, Morimoto M, Yairi M 2009 Appl. Acoust. 70 703
[17]	Guo W, Min H 2015 Energy Procedia 78 1617
[18]	Wang C, Huang L 2011 J. Acoust. Soc. Am. 130 208
[19]	Wang Y, Zhao H, Yang H, Zhong J, Zhao D, Lu Z, Wen J 2018 J. Appl. Phys. 123 185109
[20]	Tang Y F, Li F H, Xin F X, Lu T J 2017 Mater. Des. 134 502
[21]	Maa D Y 1998 J. Acoust. Soc. Am. 104 2861
[22]	Zhou H A, Wang X M, Mei Y L 2014 Acta Mech. Sin. 30 714
[23]	Ruiz H, Cobo P, Jacobsen F 2011 Appl. Acoust. 72 772
[24]	Brekhovskikh L M 1980 Waves in Layered Media, 2nd Edition (New York: Academic Press) pp76-81
[25]	Tang Y F, Ren S W, Meng H, Xin F X, Huang L, Chen T, Zhang C, Lu T J 2017 Sci. Rep. 7 43340

施引文献

[1]	Liu Z Y, Chan C T, Sheng P 2005 Phys. Rev. B 71 014103
[2]	Fang N, Xi D J, Xu J Y, Ambati M, Srituravanich W, Sun C, Zhang X 2006 Nat. Mater. 5 452
[3]	Deng K, Ding Y Q, He Z J, Zhao H P, Shi J, Liu Z Y 2009 J. Appl. Phys. 105 788
[4]	Ambati M, Fang N, Sun C, Zhang X 2007 Phys. Rev. B 75 195447
[5]	Farhat M, Enoch S, Guenneau S, Movchan A B 2008 Phys. Rev. Lett. 101 134501
[6]	Duan Y, Luo J, Wang G, Hang Z H, Hou B, Li J, Sheng P, Lai Y 2015 Sci. Rep. 5 12139
[7]	Christensen J, Romero-Garcia V, Pico R, Cebrecos A, Garcia de Abajo F J, Mortensen N A, Willatzen M, Sanchez-Morcillo V J 2014 Sci. Rep. 4 4674
[8]	Christensen J, Willatzen M 2014 Appl. Phys. Lett. 105 043508
[9]	D'Aguanno G, Le K Q, Trimm R, Alu A, Mattiucci N, Mathias A D, Akoezbek N, Bloemer M J 2012 Sci. Rep. 2 340
[10]	Fan L, Chen Z, Zhang S Y, Ding J, Li X J, Zhang H 2015 Appl. Phys. Lett. 106 151908
[11]	Song K, Lee S H, Kim K, Hur S, Kim J 2014 Sci. Rep. 4 4165
[12]	Li Y, Liang B, Zou X Y, Cheng J C 2013 Appl. Phys. Lett. 103 063509
[13]	Mei J, Ma G C, Yang M, Yang Z Y, Wen W J, Sheng P 2012 Nat. Commun. 3 756
[14]	Wang W B, Zhang Z J, Zhang Q C, Jin F, Lu T J 2016 Theor. Appl. Mech. Lett. 6 54
[15]	Han B, Qin K, Yu B, Wang B, Zhang Q, Lu T J 2016 Mater. Des. 93 271
[16]	Sakagami K, Nakamori T, Morimoto M, Yairi M 2009 Appl. Acoust. 70 703
[17]	Guo W, Min H 2015 Energy Procedia 78 1617
[18]	Wang C, Huang L 2011 J. Acoust. Soc. Am. 130 208
[19]	Wang Y, Zhao H, Yang H, Zhong J, Zhao D, Lu Z, Wen J 2018 J. Appl. Phys. 123 185109
[20]	Tang Y F, Li F H, Xin F X, Lu T J 2017 Mater. Des. 134 502
[21]	Maa D Y 1998 J. Acoust. Soc. Am. 104 2861
[22]	Zhou H A, Wang X M, Mei Y L 2014 Acta Mech. Sin. 30 714
[23]	Ruiz H, Cobo P, Jacobsen F 2011 Appl. Acoust. 72 772
[24]	Brekhovskikh L M 1980 Waves in Layered Media, 2nd Edition (New York: Academic Press) pp76-81
[25]	Tang Y F, Ren S W, Meng H, Xin F X, Huang L, Chen T, Zhang C, Lu T J 2017 Sci. Rep. 7 43340

[1]	金嘉升, 马成举, 张垚, 张跃斌, 鲍士仟, 李咪, 李东明, 刘洺, 刘芊震, 张贻歆. 基于相变材料的慢光和吸收可切换多功能太赫兹超材料. 物理学报, 2023, 72(8): 084202. doi: 10.7498/aps.72.20222336
[2]	葛宏义, 李丽, 蒋玉英, 李广明, 王飞, 吕明, 张元, 李智. 基于双开口金属环的太赫兹超材料吸波体传感器. 物理学报, 2022, 71(10): 108701. doi: 10.7498/aps.71.20212303
[3]	陈闻博, 陈鹤鸣. 基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器. 物理学报, 2022, 71(17): 178701. doi: 10.7498/aps.71.20212400
[4]	江孝伟, 武华. 吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器. 物理学报, 2021, 70(2): 027804. doi: 10.7498/aps.70.20201173
[5]	胥强荣, 沈承, 韩峰, 卢天健. 一种准零刚度声学超材料板的低频宽频带隔声行为. 物理学报, 2021, 70(24): 244302. doi: 10.7498/aps.70.20211203
[6]	崔铁军, 吴浩天, 刘硕. 信息超材料研究进展. 物理学报, 2020, 69(15): 158101. doi: 10.7498/aps.69.20200246
[7]	金柯, 刘永强, 韩俊, 杨崇民, 王颖辉, 王慧娜. 基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究. 物理学报, 2017, 66(13): 134201. doi: 10.7498/aps.66.134201
[8]	汪肇坤, 杨振宇, 陶欢, 赵茗. 复合结构螺旋超材料对光波前的高效调控. 物理学报, 2016, 65(21): 217802. doi: 10.7498/aps.65.217802
[9]	徐新河, 刘鹰, 甘月红, 刘文苗. 磁电耦合超材料本构矩阵获取方法的研究. 物理学报, 2015, 64(4): 044101. doi: 10.7498/aps.64.044101
[10]	丁敏, 薛晖, 吴博, 孙兵兵, 刘政, 黄志祥, 吴先良. 基于电磁超材料的两种等效参数提取算法的比较分析. 物理学报, 2013, 62(4): 044218. doi: 10.7498/aps.62.044218
[11]	刘亚红, 方石磊, 顾帅, 赵晓鹏. 多频与宽频超材料吸收器. 物理学报, 2013, 62(13): 134102. doi: 10.7498/aps.62.134102
[12]	刘涛, 曹祥玉, 高军, 郑秋容, 李文强. 基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用. 物理学报, 2012, 61(18): 184101. doi: 10.7498/aps.61.184101
[13]	苏妍妍, 龚伯仪, 赵晓鹏. 基于双负介质结构单元的零折射率超材料. 物理学报, 2012, 61(8): 084102. doi: 10.7498/aps.61.084102
[14]	沈晓鹏, 崔铁军, 叶建祥. 基于超材料的微波双波段吸收器. 物理学报, 2012, 61(5): 058101. doi: 10.7498/aps.61.058101
[15]	赵延, 相建凯, 李飒, 赵晓鹏. 基于双鱼网结构的可见光波段超材料. 物理学报, 2011, 60(5): 054211. doi: 10.7498/aps.60.054211
[16]	孙良奎, 程海峰, 周永江, 王军, 庞永强. 一种基于超材料的吸波材料的设计与制备. 物理学报, 2011, 60(10): 108901. doi: 10.7498/aps.60.108901
[17]	钟顺林, 韩满贵, 邓龙江. 超材料微波磁导率色散行为的电可调控性研究. 物理学报, 2011, 60(11): 117501. doi: 10.7498/aps.60.117501
[18]	闻孺铭, 李凌云, 韩克武, 孙晓玮. 微波超材料隐形结构及其新型快速实验方案. 物理学报, 2010, 59(7): 4607-4611. doi: 10.7498/aps.59.4607
[19]	相建凯, 马忠洪, 赵延, 赵晓鹏. 可见光波段超材料的平面聚焦效应. 物理学报, 2010, 59(6): 4023-4029. doi: 10.7498/aps.59.4023
[20]	付非亚, 陈微, 周文君, 刘安金, 邢名欣, 王宇飞, 郑婉华. 纳米三明治结构光子超材料中电磁场振荡行为研究. 物理学报, 2010, 59(12): 8579-8583. doi: 10.7498/aps.59.8579

计量

文章访问数: 9145
PDF下载量: 434
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板