发布日期：2026-02-25 来源: 网络 阅读量（）
）上的一项研究，该团队提出了一种基于声学黑洞终端的低频吸声超薄声学超材料。他们设计了一种多层结构，结合了恒定孔径部分和声学黑洞终端，以实现低频段的宽频带吸收。通过等效质量-弹簧模型简化分析，并通过有限元模拟和实验验证了其有效性。优化后的两种最佳配置分别实现了300Hz和500Hz的低频吸收带。
研究聚焦于一种多层薄饼式吸声器（Multi-pancake absorber），它由周期性排列的薄环形腔组成。该吸声器的独特之处在于，其主孔轮廓采用恒定截面与声学黑洞（Acoustic Black Hole,ABH）终端相结合的设计。这种设计的优势在于，开口处的恒定截面可实现低频吸声，同时在末端采用短的声学黑洞终端，避免了高频偏移。
为深入探究该超材料的声学行为，研究团队提出了等效质量 - 弹簧模型。该模型用单个等效刚度来代表恒定主孔截面，不仅简化了建模流程，大幅减少计算时间，还能捕捉超材料的多个共振现象，直观呈现共振频率下的质量速度。
为验证等效质量 - 弹簧模型的准确性，研究人员采用了有限元模拟（FEM）和实验测量两种方法。
在有限元模拟方面，运用 COMSOL Multiphysics® v. 6.2 的声学模块，在圆柱形阻抗管中对材料进行建模，通过二维轴对称模型利用系统的径向对称性，减少计算时间，并使用热粘声学（TVA）方程考虑材料的热和粘性损失。
实验测量中，超材料样本采用铝合金 6061 T6 加工而成，通过精密加工确保表面平整光滑，减少空气泄漏，最小主孔半径可达 0.4mm。在半径为 22.22mm 的阻抗管中，使用双麦克风法计算吸声系数，且每个样本至少进行五次测试以保证结果的可重复性。
a) 由 15 个组装元件组成的完整样品（左）和由 5 个元件组成的 ABH 终端（右）的照片
对比结果显示，在 1500Hz 以下，等效质量 - 弹簧模型与 FEM TVA 和实验测量结果吻合良好。虽在高频段存在微小差异，但整体趋势一致，验证了模型在低频段的有效性。
研究人员进一步探究了组合模式对吸声的影响。通过改变主孔末端的结构，观察吸声峰的变化。当在恒定截面末端减少单个主孔半径时，吸声峰向低频移动，且前三个共振为组合模式，由恒定截面与 ABH 终端相互作用产生。而增加 ABH 终端主孔数量，虽会使吸声峰进一步向低频移动，但也会因过多损失导致峰幅度降低。
为实现低频宽带吸声，研究人员利用 MATLAB 的 “fmincon” 优化函数对主孔轮廓参数进行优化。最终得到两种优化配置：一种是具有 300Hz 吸声频带，从 544 Hz 到 844 Hz 范围内，由 14 个恒定主孔和 1 个较小主孔组成；另一种是 500Hz 吸声频带，稍高频，由 11 个恒定主孔和 4 个改性主孔组成。这两种优化配置在低频段吸声性能显著提升，且在保持材料厚度和外部尺寸不变的情况下，优于传统吸声材料。
a) 第一个优化后的超材料的可视化；b) 其吸收系数根据等效质量 - 弹簧模型、有限元法（FEM）和实验结果的对比
这项研究通过结合恒定截面和声学黑洞终端，成功实现了低频段的宽频带吸收。优化后的设计在保持材料厚度和外部尺寸不变的情况下，提高了低频吸收性能。这些发现为开发高效、薄型声学超材料提供了新的思路，具有广泛的应用前景。
未来的研究可以进一步探索不同结构参数对吸收性能的影响，以开发出更广泛适用的声学超材料。此外，还可以考虑将这种材料应用于实际的噪声控制和声学工程中，以验证其在真实环境中的性能和效果。
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