ATA-304B功率放大器在低頻可調(diào)諧吸聲器中的應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)名稱：聲學(xué)超材料以及拓?fù)渎晫W(xué)的研究
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河捎谛枰业轿曅阅芘c通風(fēng)性能之間一個(gè)合適的平衡，高效吸收低頻聲音(<1000Hz)在保持流體自由流動(dòng)的同時(shí)仍然是聲學(xué)工程中的重大挑戰(zhàn)。盡管聲學(xué)超材料的不斷發(fā)展釋放了前所未有的可能性，并且已經(jīng)提出了各種超材料吸收器，但它們中的大多數(shù)僅在沒(méi)有背散射的情況下才能充分發(fā)揮作用。不幸的是，由于聲波是一種縱波，這種情況需要完全阻塞流體通道，這使得它們可以穿透任何小孔。否則，它們的吸收性能可能會(huì)大大降低，通常不能超過(guò)50%。吸收和通風(fēng)性能之間的這種基本權(quán)衡無(wú)疑限制了它們?cè)谛枰杂蓺饬鞯娜粘Ｇ闆r下的應(yīng)用。盡管研究者已提出了一些具有較大傳輸損耗的通風(fēng)聲屏障，但它們僅僅只是反射了聲波做到隔絕聲音，但這些聲波仍然存在。在此，為克服這些困難，我們提出并通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種超開(kāi)放式通風(fēng)超材料吸收器。實(shí)驗(yàn)證明，針對(duì)低頻聲音的吸收器可同時(shí)確保高性能的吸收和通風(fēng)。我們通過(guò)耦合損耗的有效模型解釋這種諧振腔的機(jī)制。此外，吸收器可以根據(jù)吸聲系數(shù)與極限厚度的因果律為原理，進(jìn)行簡(jiǎn)單地堆疊，使其能在定制的寬帶中工作的同時(shí)保持良好的通風(fēng)性能。
測(cè)試設(shè)備：ATA-304B功率放大器、數(shù)據(jù)采集分析儀、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)等
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：
使用3*3晶格陣列排布的UVMA單元作為框架組裝在一起，構(gòu)成了類似吸聲墻的超材料吸收體，如圖2.1(a)所示。對(duì)于這晶格排列的超構(gòu)材料，在其上方特別大的空腔允許背景流體(如空氣或水)通過(guò)自由流動(dòng)通過(guò)結(jié)構(gòu)。在本文提到的研究中，我們假定該結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在空氣中。而為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于低頻聲波的高效吸收和氣流的自由流動(dòng)，入射到UVMA單元上的聲波應(yīng)被完美吸收。對(duì)于單個(gè)的UVMA超胞單元組合成一個(gè)矩形格子中，沿x和y方向的晶格常數(shù)分別為L(zhǎng)/4和L，由四個(gè)UVMA單元組成，如圖2.1(b)所示。對(duì)于單個(gè)UVMA單元的細(xì)節(jié)，我們通過(guò)取下蓋子的方式對(duì)UMVA單元的詳細(xì)信息進(jìn)行展示，如圖2.1(c)所示。每個(gè)UVMA單元由兩個(gè)對(duì)稱放置的分流管諧振器組成，并通過(guò)連接它們之間的窄縫形成弱耦合。單個(gè)UVMA單元在xz平面上的剖面圖展示了結(jié)構(gòu)相同但方向相反的裂口管諧振器，如圖2.1(d)所示。我們確定了UVMA超構(gòu)材料的適當(dāng)幾何參數(shù)，以使該結(jié)構(gòu)在對(duì)于低頻聲波具有最佳的吸收和通風(fēng)性能。
用圖2.1.(e)所示的設(shè)置對(duì)它們的吸收性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所有聲學(xué)測(cè)量均在四邊形阻抗管中使用普通的四麥克風(fēng)雙負(fù)載方法進(jìn)行。阻抗管由兩個(gè)鋁制方管(內(nèi)截面為147×147mm2，管厚度為5mm)，一個(gè)全頻揚(yáng)聲器(中國(guó)，M5N，HiVi)組成，四個(gè)麥克風(fēng)(中國(guó)，BSWA，MP418)，功率放大器(中國(guó)，Aigtek，ATA304)和數(shù)據(jù)采集分析儀(中國(guó)，BSWA，MC3242)。鋁管的平面波截止頻率為?1100Hz。兩個(gè)鋁管的長(zhǎng)度分別為600mm和400mm。使用厚度為4mm的夾緊鋁板作為剛性背板，以模擬聲學(xué)硬邊界端接。拆下背部的鋁板后，管中的聲音會(huì)散發(fā)出外界，從而模擬出開(kāi)放邊界的聲學(xué)終端。它們?cè)跍y(cè)量中充當(dāng)兩個(gè)不同的終端負(fù)載。
圖2.1.(a).以矩形點(diǎn)陣排列的UVMA超胞組合示意圖。(b).UVMA超胞單元的示意圖，它由四個(gè)UVMA單元組成，沿x(y)方向的晶格常數(shù)分別為L(zhǎng)(L/4)。(c).單個(gè)UVMA的透視圖，如(b)中的虛線矩形所示部分。為了演示其內(nèi)部細(xì)節(jié)，我們旋轉(zhuǎn)了結(jié)構(gòu)并卸下了兩端蓋板。(d).在xz平面上UVMA單元的剖面示意圖。(e).用于聲學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置。阻抗管的橫截面為正方形(147×147mm2)，并采用標(biāo)準(zhǔn)的四麥克風(fēng)方法進(jìn)行測(cè)量。插圖顯示了放置在阻抗管中的已加工樣品的照片。
為驗(yàn)證樣品吸聲率與參數(shù)關(guān)系的模擬結(jié)果，我們?cè)诼暡ü苤腥缓筮M(jìn)行UVMA單元聲學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。我們只做并研究了兩種UVMA樣品，分別標(biāo)記為這兩種樣品為樣品I。樣品I與樣品II的開(kāi)口率(開(kāi)放面積)為分別為72.8%和69.4%。如圖2.3.(a)中顯示了我們通過(guò)四麥克風(fēng)法所測(cè)得的這兩個(gè)樣品的透射率和反射率(虛線)，與模擬結(jié)果(實(shí)線)非常吻合。反射譜和透射譜都在共振頻率附近出現(xiàn)下降，這意味著UVMA超構(gòu)材料在共振頻率處高效吸收。如圖2.3.(b)所示，模擬吸收和測(cè)量吸收的結(jié)果表明彼此之間存在著一致性，很好的吻合在一起。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于樣品I與樣品II，如紅色與紫色的箭頭所示，分別在637Hz與472Hz下測(cè)得的吸收率達(dá)到93.6%和97.3%。作為參考，還測(cè)量了兩種三聚氰胺吸聲泡沫(BasotectG+，德國(guó)巴斯夫)的聲學(xué)性能。它們被標(biāo)記為泡沫I和泡沫II，分別具有與樣品I和樣品II相同的尺寸，并且將它們的吸收譜在圖2.3.(b)中以灰色實(shí)線進(jìn)行了繪制。與市場(chǎng)上優(yōu)質(zhì)的吸聲泡沫相比，UVMA單元在低頻共振附近有卓越的聲學(xué)吸聲性能。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
如圖2.3.(d)所示，兩個(gè)諧振器在諧振時(shí)的聲壓表現(xiàn)出90°的相位差。此相位差表明對(duì)于其對(duì)稱面(z=0)可以看作是引入了180°相位差的聲學(xué)軟邊界和引入了0°相位差的聲學(xué)硬邊界的疊加。我們使用COMSOL僅對(duì)UVMA單元的一半進(jìn)行仿真模擬，分別以聲學(xué)軟邊界或硬邊界為終止條件。發(fā)現(xiàn)單個(gè)UVMA單元的吸收是對(duì)稱和反對(duì)稱的UVMA單元的一半的平均值，因此證實(shí)了該解釋是準(zhǔn)確的。由于硬聲和軟聲邊界都充當(dāng)背散射條件，它們會(huì)引起入射聲音的多次散射，從而使兩個(gè)單獨(dú)的分流管諧振器的諧振模式混合。這種耦合是獲得有效吸收的關(guān)鍵。此外，由于在硬邊界和軟邊界之間反射的波具有180°的相位差，因此它們往往會(huì)相互抵消，從而確保了在雙端口的通風(fēng)情況下接近完美的聲吸收。
圖：ATA-304B功率放大器指標(biāo)參數(shù)
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