雜化共振引起的超常聲學(xué)吸收和雜化共振超材料表面的聲電能轉(zhuǎn)換的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)內(nèi)容涉及聲學(xué)超材料，該聲學(xué)超材料涉及利用雜化共振超結(jié)構(gòu)的能量產(chǎn) 生。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲學(xué)超材料是旨在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料中無(wú)法獲得的聲學(xué)/彈性性質(zhì)而人造的結(jié)構(gòu)。尤 其是，在各種不同設(shè)計(jì)中展示出負(fù)的有效動(dòng)態(tài)質(zhì)量密度。具有負(fù)的聲學(xué)性質(zhì)的材料呈現(xiàn)出 負(fù)的質(zhì)量密度和負(fù)的體彈模量，因此呈現(xiàn)出負(fù)的折射系數(shù)。還在具有共振腔的流體通道中 實(shí)現(xiàn)了負(fù)的有效體彈模量。還通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了諸如聚焦、成像放大、聲學(xué)隱聲、全吸收之類(lèi) 的其他效應(yīng)。目前，只有通過(guò)薄膜與帶側(cè)孔的管道的復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了有效質(zhì)量密度和體彈 模量?jī)烧咄瑫r(shí)為負(fù)。
[0003] 近十年來(lái)出現(xiàn)的聲學(xué)超材料擴(kuò)大了聲波操縱范圍。已設(shè)想并隨后實(shí)現(xiàn)了諸如空氣 載聲（airbornesound)的高效衰減、隱聲、亞衍射成像和控制、低頻全吸收等效應(yīng)。許多這 些突破性進(jìn)展得益于如下方法的出現(xiàn)，該方法將復(fù)雜系統(tǒng)縮減為虛擬均質(zhì)材料，由一小組 有效構(gòu)成參數(shù)來(lái)表征該材料。期望的是將類(lèi)似方法應(yīng)用到解決低頻聲音的聲學(xué)吸收這一傳 統(tǒng)難題。
[0004] 空氣載聲波的吸收是理論和實(shí)踐長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)注的問(wèn)題。諸如多孔/纖維體材料、 微穿孔、共振結(jié)構(gòu)和隨機(jī)散射體之類(lèi)的各種技術(shù)已被用來(lái)改進(jìn)對(duì)于某些特定頻率或在寬頻 帶上的吸聲性能。這些方法尋求通過(guò)增加耗散系數(shù)、延遲聲波傳播或增加吸收體內(nèi)的能量 密度來(lái)耗散聲能。
[0005] 聲音的耗散本質(zhì)上是空氣粒子的動(dòng)能向熱能的轉(zhuǎn)化。最終這必須經(jīng)由粘滯和摩擦 的組合來(lái)進(jìn)行；即，耗散的能量通常正比于（線性系統(tǒng)中的）位移的第一時(shí)間導(dǎo)數(shù)的平方乘 以粘度系數(shù)。盡管如此，大粘度系數(shù)不一定導(dǎo)致高吸收，這是因?yàn)榇笳扯认禂?shù)會(huì)同時(shí)導(dǎo)致空 氣和吸收體之間的阻抗失配。在這樣的情況下，大部分入射能量將在界面處被反射。因此， 只有當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的粘度和阻抗符合特定條件時(shí)，吸收體才可以達(dá)到其最佳性能。
[0006] 超材料的特征之一在于，根據(jù)它們的基本設(shè)計(jì)，它們可以達(dá)到超級(jí)吸收狀態(tài)，在該 狀態(tài)薄片或重物以最大幅度振動(dòng)。期望的是能夠提取超材料所吸收的能量，以增加超材料 吸收聲音或其他振動(dòng)能的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] -種聲音吸收超材料，其包括聲阻抗匹配表面，該表面被構(gòu)造為最小化入射聲波 的反射。該表面包括彈性或柔性薄膜以及安裝在該薄膜上的實(shí)質(zhì)上為剛性的重物。相對(duì)固 體表面被設(shè)置作為反射表面并且位于所述薄膜后方。所述反射表面與所述彈性或柔性薄膜 隔開(kāi)預(yù)定距離并且在所述薄膜和所述固體表面之間形成流體空間。安裝在薄膜上的重物與 彈性薄膜的組合建立了多個(gè)本征頻率。
[0008] 在一個(gè)特定構(gòu)造中，發(fā)電機(jī)可操作地與所述薄膜相連接，使得其能夠從該薄膜充 分地提取振動(dòng)能量以衰減該振動(dòng)能量。對(duì)振動(dòng)能量的提取使在沒(méi)有發(fā)電機(jī)時(shí)被消散為熱的 一部分吸收聲能轉(zhuǎn)換為電能。
[0009] 在另一特定構(gòu)造中，在薄膜上方支撐有薄片，該薄片與薄膜充分隔開(kāi)以對(duì)風(fēng)的移 動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)。風(fēng)的移動(dòng)使得所述薄片拍動(dòng)和起伏，使得薄膜處的壓力改變，隨之響應(yīng)于風(fēng)的 移動(dòng)而產(chǎn)生電能。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1A和圖1B是示出超材料單元的示意圖。圖1A示出了該單元，圖1B示出了該 單元的位移的兩種模式。
[0011] 圖2A和圖2B是一組吸收體單元的示意圖。圖2A示出了一組三個(gè)相同的吸收體 單元。圖2B示出了圖2A的吸收體單元中的一個(gè)的細(xì)節(jié)。
[0012] 圖3是示出圖2A和圖2B示出的三個(gè)相同的吸收體單元的測(cè)得的吸收系數(shù)（實(shí)線 曲線）和反射系數(shù)（虛線曲線）的圖形化示意。
[0013]圖4是示出當(dāng)被平面聲波激發(fā)時(shí)圖2A和圖2B的吸收體的仿真速度分布的圖形化 表示。薄膜由分開(kāi)兩個(gè)矩形區(qū)域的粗線表示。水平箭頭k表示聲音傳播的方向。
[0014]圖5是示出具有不同操作頻率的三個(gè)吸收體的測(cè)得的吸收系數(shù)和反射系數(shù)的圖 形化示意。
[0015] 圖6是利用由雜化共振引起的超常聲學(xué)吸收的能量轉(zhuǎn)換裝置的示意圖。
[0016] 圖7A是用于對(duì)能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行測(cè)試的構(gòu)造的示意圖，表示了圖6的能量轉(zhuǎn)換裝置的 物理特性。
[0017] 圖7B至圖7D是圖7A的能量轉(zhuǎn)換裝置處測(cè)得的響應(yīng)特性的圖形化示意。圖7B示 出了作為頻率的函數(shù)而描繪的吸收系數(shù)。圖7C是在152Hz處測(cè)得的振動(dòng)輪廓的曲線圖。利 用一側(cè)上沿徑向的數(shù)據(jù)，這表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)曲線。圖7D是作為頻率的函數(shù)的由中心薄片的振動(dòng) 產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)（EMF)的曲線圖。
[0018] 圖8A和圖8B是示出在可調(diào)的多個(gè)頻率處實(shí)現(xiàn)接近全吸收（> 99% )的圖。圖 8A示出了其中阻抗管包括三個(gè)雜化共振單元的布置。圖8B示出了作為頻率的函數(shù)而描繪 的吸收系數(shù)。
[0019] 圖9A和圖9B是阻抗匹配的雜化共振頻率處不同參數(shù)之間的關(guān)系的圖形化表示。 圖9A示出了無(wú)量綱的耗散參數(shù)和密封氣體層的厚度。圖9B示出了雜化振動(dòng)頻率處的法向 位移的變化。
[0020] 圖10A和圖10B是示出用于從風(fēng)產(chǎn)生電能的能量吸收超材料單元的示意圖。圖 10A示出了靜止?fàn)顟B(tài)下的單元。圖10B示出了吹風(fēng)狀態(tài)下的單元。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 概況
[0022] 聲阻抗匹配表面具有不反射入射聲波的屬性，從而聲波要么完全透過(guò)該表面，要 么完全被吸收。通過(guò)用裝飾過(guò)或增強(qiáng)過(guò)的彈性薄膜覆蓋反射固體表面并與該表面隔開(kāi)窄的 間隙，可以實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)共振本征模式的穩(wěn)健的雜化共振。所述共振使得能夠與空氣載聲 或振動(dòng)完美匹配的阻抗。
[0023] 所述彈性薄膜與所述反射固體表面隔開(kāi)定義了所述窄的間隙的預(yù)定距離。通過(guò)選 擇預(yù)定的間隙以及裝飾過(guò)或增強(qiáng)過(guò)的彈性薄膜的共振頻率，建立兩個(gè)本征模式。所述本征 模式僅由裝飾過(guò)的薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)（比如半徑、中心質(zhì)量）決定，而雜化共振模式與后方的 空氣腔有關(guān)，該空氣腔提供了額外阻抗并使所述兩個(gè)本征模式一起形成新的雜化模式。所 述兩個(gè)本征模式通過(guò)非限制性示例的方式給出，并且具有固定邊界的薄膜重量結(jié)構(gòu)在相應(yīng) 的本征頻率處具有許多固有本征模式，上述兩個(gè)本征模式僅是薄膜重量結(jié)構(gòu)的第一本征模 式和第二本征模式。在一個(gè)非限制性示例中，與空氣間隔或反射體不同，本征頻率可以由薄 膜結(jié)構(gòu)本身決定。
[0024] 通過(guò)利用薄膜型聲學(xué)超材料（MAM)反共振頻率附近的有效質(zhì)量密度非常規(guī)性，可 以看出當(dāng)與具有反射背面的窄的空氣腔耦合時(shí)，可以使全反射表面在特定頻率處與空氣的 阻抗匹配，從而完全消除反射聲音并達(dá)致完全吸收。這種超常吸收的狀況與全透射情況 (其也是零反射狀態(tài)）相仿。在當(dāng)前實(shí)例中應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，利用創(chuàng)紀(jì)錄的低的裝置厚度實(shí)現(xiàn) 了低頻聲音的全吸收。
[0025] 耗散功率一般與局部位移改變速率是二次平方關(guān)系；因此低頻聲音吸收是傳統(tǒng)難 題。使耗散最大化的一般方法涉及將吸收體置于共振狀態(tài)，在該狀態(tài)最可能出現(xiàn)最大位移。 根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，低頻聲音的超常聲學(xué)吸收（例如，頻率200Hz附近大于99% )通過(guò)如下吸 收裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該吸收裝置包括背面有窄的氣腔的裝飾過(guò)或增強(qiáng)過(guò)的薄膜。據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝飾 過(guò)或增強(qiáng)過(guò)的薄膜與具有反射背面的窄的腔體耦合時(shí)，可以產(chǎn)生該裝置的新的共振，在接 近單個(gè)裝飾過(guò)或增強(qiáng)過(guò)的薄膜的反共振頻率處裝置的總有效質(zhì)量接近零。這產(chǎn)生了與空氣 中傳播的聲音的阻抗匹配條件，從而導(dǎo)致接近零反射。由于該裝置背面有全反射背面，所以 也不存在透射；因此全部入射能量被吸收。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了聲音的接近全吸收，其中波長(zhǎng)比吸 收體裝置的厚度大1至2個(gè)量級(jí)。
[0026] 在一個(gè)非限制性示例中，選擇170Hz的雜化共振頻率并且該共振頻率是可調(diào)的。 薄膜的最大位移幅度可達(dá)到10μm，其比強(qiáng)度為IPa的入射聲波的幅度大一個(gè)量級(jí)，盡管整 個(gè)薄膜上的平均位移要小得多。由此可見(jiàn)，大的位移幅度使全吸收得以實(shí)現(xiàn)。
[0027] 本公開(kāi)內(nèi)容涉及針對(duì)低頻空氣載聲呈現(xiàn)出超常吸收性能的聲學(xué)裝置的構(gòu)造。其近 全吸收的橫向界面遠(yuǎn)大于器件的實(shí)際截面。
[0028] 聲音的耗散實(shí)質(zhì)上是空氣粒子的動(dòng)能向熱能的轉(zhuǎn)換。最終這必須經(jīng)由粘度/摩擦 來(lái)進(jìn)行；即，耗散量正比于（線性系統(tǒng)中的）位移的第一時(shí)間導(dǎo)數(shù)乘以粘度系數(shù)。盡管如此， 大粘度系數(shù)不一定會(huì)導(dǎo)致高吸收量，這是因?yàn)榇蟮恼扯认禂?shù)會(huì)同時(shí)導(dǎo)致空氣和吸收體之間 的阻抗失配。在這種情況下，大部分入射能量將在界面處被反射。因此，只有當(dāng)粘度系數(shù)和 整個(gè)系統(tǒng)的阻抗符合特定條件時(shí)，吸收體才可以達(dá)到其最佳性能。通過(guò)利用薄膜型聲學(xué)超 材料（MAM)反共振頻率附近的有效質(zhì)量密度非常規(guī)性，可以看出當(dāng)與具有反射背面的窄的 空氣腔耦合時(shí)，可以使全反射表