研究介紹

聲波是水下探測的重要技術手段，水下裝備的減振降噪設計對規避聲吶探測至關重要。然而，由於水下低頻聲波的波長較長，通過深亞波長結構實現水下低頻聲波的高效吸聲降噪是一個具有挑戰性的難題。為瞭克服傳統水下吸聲結構在低頻吸聲性能不足的問題，西安交通大學辛鋒先教授和南京航空航天大學盧天健教授研究團隊在傳統亥姆霍茲共振腔結構的基礎上，通過在腔體內壁上覆蓋一層粘彈性材料，提出瞭一種以輕質高強穿孔蜂窩夾層板為基本構型的類亥姆霍茲共振超材料（PHHM）。基於微穿孔板的吸聲理論和電聲類比，建立瞭水聲超材料吸聲性能的理論預測模型。結果顯示，我們提出的水聲超材料PHHM在375Hz實現瞭有效吸聲（吸聲系數大於99.9%），PHHM的厚度僅為吸聲峰值處水聲波長的1/80。進一步，基於阻抗分析、復頻率平面分析和有限元模擬，揭示瞭PHHM的優異水下吸聲性能背後的物理機制。分析表明，粘彈性層的引入有效提升瞭亥姆霍茲共振腔的聲容和聲阻，觸發瞭一種新型的準亥姆霍茲共振機制。此外，PHHM在斜入射下仍能保持良好的吸聲性能。通過並聯多個共振頻率不同的PHHM腔體，能夠有效的拓寬其吸聲頻帶，實現低頻寬帶高效吸聲。PHHM的結構設計克服瞭傳統空氣吸聲超材料在水下的應用受限的問題，為水聲超材料的創新構型設計開辟瞭新的道路。

文章發表在AIP Advances，被編輯選為Editor's Pick文章。

圖1：水聲超材料PHHM結構示意圖028d6f5e20cca7252b1a5403b38242d4圖2：水聲超材料PHHM和傳統亥姆霍茲共振腔的水下吸聲性能對比圖3：水聲超材料PHHM的吸聲機理68308d32325f78c6f5efdf53587bd112圖4：水聲超材料PHHM多胞元協同工作機制

論文第一作者為西安交通大學碩士畢業生段明宇，第二作者為西安交通大學博士生於晨磊，共同通訊作者為西安交通大學辛鋒先教授和南京航空航天大學盧天健教授。辛鋒先教授主要致力於聲波波動力學研究，立足於固體力學，研究涉及固體力學、流體力學、聲學、傳熱學等多學科理論深度交叉領域。盧天健教授主要從事多孔結構跨尺度多場理論和應用研究，對隨機/規則多孔結構力/熱/聲理論體系、含液多孔介質多場耦合理論等做出瞭系統的創造性貢獻，是該領域的國際著名學者。

原文信息

標題：Deep subwavelength hybrid metamaterial for low-frequency underwater sound absorption by quasi-Helmholtz resonance

期刊號：AIP Advances 13, 025352 (2023)

作者：Mingyu Duan, Chenlei Yu, Fengxian Xin*, and Tian Jian Lu*

原文鏈接：http://doi.org/10.1063/5.0131820

期刊介紹

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