Metamateriali acustici frattali ibridi per bassi

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20444 (2022) Citare questo articolo

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Il lavoro proposto enumera metamateriali acustici ibridi sottili, con lunghezza d'onda profonda (2 cm) che agiscono come un tipo completamente nuovo di assorbitore acustico, mostrando molteplici effetti di assorbimento acustico a banda larga. Basato sulla distribuzione frattale delle strutture dei risonatori di Helmholtz (HR), integrati con un'attenta progettazione e costruzione di pannelli ibridi microperforati a croce (CMPP) che dimostrano un comportamento di assorbimento acustico a bassa frequenza a banda larga di circa un'ottava. Per determinare il coefficiente di assorbimento acustico di questo nuovo tipo di metamateriale, vengono utilizzati entrambi il modello di impedenza equivalente per la cavità frattale e il modello di Maa microforato per CMPP. Convalidiamo questi nuovi progetti di materiali attraverso dati numerici, teorici e sperimentali. È dimostrato che il design del materiale possiede un assorbimento acustico superiore, dovuto principalmente alle perdite per attrito della struttura imposte dall'energia delle onde acustiche. I picchi dei diversi fenomeni di assorbimento acustico mostrano regolabilità regolando i parametri geometrici delle strutture frattali come lo spessore della cavità "t", il diametro della perforazione trasversale del pannello microforato, ecc. Le strutture frattali e il relativo pannello di perforazione sono ottimizzati dimensionalmente per il massimo assorbimento acustico a banda larga che viene stimato numericamente. Questo nuovo tipo di cavità frattale integrata con il metamateriale acustico CMPP ha molte applicazioni come in molteplici materiali funzionali con comportamento di assorbimento a banda larga, ecc.

Numerosi usi per l'assorbitore acustico a bassa frequenza a banda larga spessa con lunghezza d'onda profonda possono essere trovati nel mascheramento acustico e nella riduzione del rumore. Un metamateriale acustico è un eccellente candidato per affrontare tutte le sfide con un'attenta progettazione di strutture che possono possedere proprietà acustiche straordinarie come l'assorbimento del rumore a banda larga1,2,3,4,5, l'isolamento acustico6,7,8, le proprietà di occultamento del rumore9,10, il getto acustico proprietà11 ecc. I metamateriali acustici sono ben noti come strutture artificiali o artificiali che possono essere programmate attraverso la densità effettiva negativa12,13, il modulo efficace negativo14,15 e il modulo e la densità negativi simultanei16,17,18. I ricercatori hanno recentemente proposto metamateriali acustici frattali 2D19 e metamateriali acustici frattali labirintici 3D20, che possono possedere proprietà di blocco del suono multibanda nel dominio delle basse frequenze. Un altro isolatore acustico a bassa frequenza a banda larga è progettato attraverso un metamateriale a membrana ispirato alla ragnatela21. I ricercatori potrebbero cercare di scoprire che le strutture leggere di diversi materiali possiedono un eccellente assorbimento acustico per risolvere le sfide legate al controllo del rumore22,23. Inoltre, è stata a lungo una sfida ottenere un assorbimento acustico a banda larga mantenendo la sottigliezza e la leggerezza come proprietà strutturali. La progettazione metamateriale come le strutture multi-avvolgimento24, può raggiungere un assorbimento perfetto alla frequenza estremamente bassa di 50 Hz con uno spessore di 1,3 ma non può essere sintonizzata una volta fabbricata. I ricercatori hanno anche provato pannelli microforati convenzionali (MPP)25,26,27,28, con cavità posteriore, metamateriali basati su risonatori di Helmholtz incorporati nel collo Cascade29, MPP con risonatore di Helmholtz incorporato nel collo30, e hanno ottenuto con successo un livello complessivamente buono di assorbimento acustico alle basse frequenze. Tuttavia, lo spessore della cavità di supporto è solitamente superiore a 5 cm per ottenere un comportamento di assorbimento acustico a banda larga. I metamateriali a membrana ultrasottile (MM)31,32 sono ottimi candidati per il comportamento di assorbimento acustico a banda larga, ma il problema nel MM è l'effetto di allentamento della membrana che può verificarsi nel corso del tempo dopo un uso ripetuto.

Questo articolo ha sviluppato un nuovo tipo di design del foglio frontale microperforato sintonizzabile (con diametro di perforazione ≤ 1 mm) supportato dalla geometria frattale come mostrato in Fig. 1, di dimensioni di lunghezza subonda che dimostrano un eccellente comportamento di assorbimento acustico a banda larga. Lo spessore di questo classico design metamateriale è inferiore a 2 cm e può essere facilmente programmato/sintonizzato in base alle necessità industriali e all'ambito in diversi campi.