Високоефективне поглинання звуку низької частоти структурою з гібридним метаматеріалом
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.8.507Ключові слова:
акустичний метаматерiал, гiбридний метаматерiал, коефiцiєнт поглинання звуку, акустичнi пiдводнi хвилi, затухання шумуАнотація
Ми виготовили та дослiдили новий поглинач звуку низької частоти з нового гiбридного метаматерiалу, який складається з круглого розрiзного кiльця з вольфраму, покритого круглим розрiзним кiльцем карбiду кремнiю в шарi полiмеру полiдиметилсилоксану (PDMS), епоксидної смоли, сталi, гуми, скловолокна або вуглецевого волокна, вiдповiдно. Ми провели моделювання методом скiнченних елементiв за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics. Результати показують, що запропонований пiдхiд дозволяє створювати високоефективний поглинач (99%) у широкому дiапазонi низькочастотного спектра. Дане дослiдження прокладає шлях до вдосконалення проектування акустичного гiбридного метаматерiалу та контролю, зокрема, пiдводних акустичних хвиль.
Посилання
1. G. Ma, P. Sheng. Acoustic metamaterials: From local resonances to broad horizons. Sci Adv. 2 (2), e1501595 (2016).
https://doi.org/10.1126/sciadv.1501595
2. C. Shao, H. Long, Y. Cheng, X. Liu. Low-frequency perfect sound absorption achieved by a modulus-near-zero metamaterial. Sci Rep. 9 (1), 1 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41598-019-49982-5
3. N. Rastegar, D. De Cicco, D. Vidal, A. Ross. Acoustic metamaterials for low-frequency noise reduction: A review. Can. Acoustic. - Acoustic. Can. 51 (3), 144 (2023).
4. B.B. Wang, Y. Ge, S.Q. Yuan, D. Jia, H.X. Sun. Exceptional ring by non-hermitian sonic crystals. Prog Electromagn Res. 176, 1 (2023).
https://doi.org/10.2528/PIER22090301
5. X. Zhu, K. Li, P. Zhang, J. Zhu, J. Zhang, C. Tian et al. Implementation of dispersion-free slow acoustic wave propagation and phase engineering with helical-structured metamaterials. Nat Commun. 7 (1), 11731 (2016).
https://doi.org/10.1038/ncomms11731
6. C. Liu, J. Shi, W. Zhao, X. Zhou, C. Ma, R. Peng et al. Three-dimensional soundproof acoustic metacage. Phys. Rev. Lett 127 (8), 84301 (2021).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.084301
7. Y. Wang, H.Y. Zou, Y.J. Lu, S. Gu, J. Qian, J.P. Xia et al. Two-dimensional acoustic asymmetric vortex focusing lens by binary-phase mode converters. Prog. Electromagn. Res. 177, 127 (2023).
https://doi.org/10.2528/PIER23042502
8. V. Romero-Garci'a, G. Theocharis, O. Richoux, A. Merkel, V. Tournat, V. Pagneux. Perfect and broadband acoustic absorption by critically coupled sub-wavelength resonators. Sci Rep. 6 (1), 19519 (2016).
https://doi.org/10.1038/srep19519
9. J. Li, W. Wang, Y. Xie, B.I. Popa, S.A. Cummer. A sound absorbing metasurface with coupled resonators. Appl. Phys. Lett. 109 (9), 091908 (2016).
https://doi.org/10.1063/1.4961671
10. H. Long, Y. Cheng, X. Liu. Asymmetric absorber with multiband and broadband for low-frequency sound. Appl. Phys. Lett. 111 (14), 143502 (2017).
https://doi.org/10.1063/1.4998516
11. C. Zhang, X. Hu. Three-dimensional single-port labyrinthine acoustic metamaterial: Perfect absorption with large bandwidth and tunability. Phys. Rev. Appl. 6 (6), 64025 (2016).
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.6.064025
12. M. Yang, S. Chen, C. Fu, P. Sheng. Optimal sound-absorbing structures. Mater. Horizons. 4 (4), 673 (2017).
https://doi.org/10.1039/C7MH00129K
13. H. Liu, J.H. Wu, F. Ma. High-efficiency sound absorption by a nested and ventilated metasurface based on multislit synergetic resonance. J. Phys. D Appl. Phys. 54 (20), 205304 (2021).
https://doi.org/10.1088/1361-6463/abe6cd
14. Y.J. Guan, Y. Ge, C.H. Wu, Q.R. Si, Y. Lai, S.Q. Yuan et al. An ultra-low-frequency sound absorber and its application in noise reduction in ducts. APL Mater. 12 (1), 011127 (2024).
https://doi.org/10.1063/5.0188383
15. F. Wu, X. Zhang, Z. Ju, J. Zhao, M. Hu, M. Gao et al. Ultra-broadband sound absorbing materials based on periodic gradient impedance matching. Front Mater. 9, 1 (2022).
https://doi.org/10.3389/fmats.2022.909666
16. H. Ryoo, W. Jeon. Perfect sound absorption of ultra-thin metasurface based on hybrid resonance and space-coiling. Appl. Phys. Lett. 113 (12), 121903 (2018).
https://doi.org/10.1063/1.5049696
17. H. Long, C. Shao, C. Liu, Y. Cheng, X. Liu. Broadband near-perfect absorption of low-frequency sound by subwavelength metasurface. Appl. Phys. Lett. 115 (10), 103503 (2019).
https://doi.org/10.1063/1.5109826
18. Y. Shen, Y. Yang, X. Guo, Y. Shen, D. Zhang D. Lowfrequency anechoic metasurface based on coiled channel of gradient cross-section. Appl. Phys. Lett. 114 (8), 083501 (2019).
https://doi.org/10.1063/1.5081926
19. X. Liu, M. Duan, M. Liu, F. Xin, C. Zhang. Acoustic labyrinthine porous metamaterials for subwavelength low-frequency sound absorption. J. Appl. Phys. 129 (19), 195103 (2021).
https://doi.org/10.1063/5.0032045
20. M. Duan, C. Yu, Z. Xu, F. Xin, T. Jian Lu. Acoustic impedance regulation of Helmholtz resonators for perfect sound absorption via roughened embedded necks. Appl. Phys. Lett. 117 (15), 151904 (2020).
https://doi.org/10.1063/5.0024804
21. M. Duan, C. Yu, W. He, F. Xin, T.J. Lu. Perfect sound absorption of Helmholtz resonators with embedded channels in petal shape. J. Appl. Phys. 130 (13), 135102 (2021).
https://doi.org/10.1063/5.0064811
22. Y. Tang, F. Li, F. Xin, T.J. Lu. Heterogeneously perforated honeycomb-corrugation hybrid sandwich panel as sound absorber. Mater. Des. 134, 502 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.09.006
23. Y. Tang, S. Ren, H. Meng, F. Xin, L. Huang, T. Chen et al. Hybrid acoustic metamaterial as super absorber for broadband low-frequency sound. Sci Rep. 7, 43340 (2017).
https://doi.org/10.1038/srep43340
24. Y. Tang, F. Xin, L. Huang, T. Lu T. Deep subwavelength acoustic metamaterial for low-frequency sound absorption. Epl. 118 (4), 44002 (2017).
https://doi.org/10.1209/0295-5075/118/44002
25. M. Duan, C. Yu, F. Xin, T.J. Lu. Deep subwavelength hybrid metamaterial for low-frequency underwater sound absorption by quasi-Helmholtz resonance. AIP Adv. 13 (2), 025352 (2023).
https://doi.org/10.1063/5.0131820
26. J. Pendry, J. Zhou, J. Sun. Metamaterials: From engineered materials to engineering materials. Engineering 17, 1 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.08.001
27. D. Liu, L. Hao, W. Zhu, X. Yang, X. Yan, C. Guan et al. Recent progress in resonant acoustic metasurfaces. Materials 16 (21), 7044 (2023).
https://doi.org/10.3390/ma16217044
28. S.A. Cummer, J. Christensen, A. Al'u. Controlling sound with acoustic metamaterials. Nat. Rev. Mater. 1 (3), 1 (2016).
https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.1
29. C. Guiping, H. Deping, S. Guangji. Underwater sound absorption property of porous aluminum. Colloids Surfaces A Physicochem Eng. Asp. 179 (1-3), 191 (2001).
https://doi.org/10.1016/S0927-7757(00)00656-7
30. X. Wang. Porous metal absorbers for underwater sound. J. Acoust. Soc. Am. 122 (5), 2626 (2007).
https://doi.org/10.1121/1.2785041
31. W. Xu, C. Jiang, J. Zhang. Underwater acoustic absorption of air-saturated open-celled silicon carbide foam. Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 471, 153 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.01.091
32. W. Xu, C. Jiang, J. Zhang. Improvement in underwater acoustic absorption performance of open-celled SiC foam. Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 482, 568 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.06.046
33. S.M. Ivansson. Sound absorption by viscoelastic coatings with periodically distributed cavities. J. Acoust. Soc. Am. 119 (6), 3558 (2006).
https://doi.org/10.1121/1.2190165
34. H.G. Zhao, Y.Z. Liu, J.H. Wen, D.L. Yu, X.S. Wen. Tricomponent phononic crystals for underwater anechoic coatings. Phys. Lett. Sect. A Gen At Solid State Phys. 367 (3), 224 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2007.02.048
35. H. Jiang H, Y. Wang, M. Zhang, Y. Hu, D. Lan, Y. Zhang et al. Locally resonant phononic woodpile: A wide band anomalous underwater acoustic absorbing material. Appl. Phys. Lett. 95 (10), 104101 (2009).
https://doi.org/10.1063/1.3216805
36. H. Zhao, J. Wen, D. Yu, X. Wen. Low-frequency acoustic absorption of localized resonances: Experiment and theory. J. Appl. Phys. 107 (2), 023519 (2010).
https://doi.org/10.1063/1.3284943
37. J. Wen, H. Zhao, L. Lv, B. Yuan, G. Wang, X. Wen. Effects of locally resonant modes on underwater sound absorption in viscoelastic materials. J. Acoust. Soc. Am. 130 (3), 1201 (2011).
https://doi.org/10.1121/1.3621074
38. H. Meng, J. Wen, H. Zhao, X. Wen. Optimization of locally resonant acoustic metamaterials on underwater sound absorption characteristics. J. Sound Vib. 331 (20), 4406 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.jsv.2012.05.027
39. H. Zhao, J. Wen, H. Yang, L. Lv, X. Wen. Backing effects on the underwater acoustic absorption of a viscoelastic slab with locally resonant scatterers. Appl. Acoust. 76, 48 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2013.07.022
40. P. M'eresse, C. Audoly, C. Cro¨enne, A.C. Hladky-Hennion. Acoustic coatings for maritime systems applications using resonant phenomena. Comptes Rendus - Mec. 343 (12), 645 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.crme.2015.07.004
41. T. Lee, H. Iizuka. Heavily overdamped resonance structurally engineered in a grating metasurface for ultrabroadband acoustic absorption. Appl. Phys. Lett. 113 (10), 101903 (2018).
https://doi.org/10.1063/1.5047798
42. G.S. Sharma, A. Skvortsov, I. MacGillivray, N. Kessissoglou. Sound absorption by rubber coatings with periodic voids and hard inclusions. Appl. Acoust. 143, 200 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2018.09.003
43. K. Shi, G. Jin, R. Liu, T. Ye, Y. Xue Y. Underwater sound absorption performance of acoustic metamaterials with multilayered locally resonant scatterers. Results Phys. 12, 132 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.11.060
44. H. Yang, H. Zhao, J. Yin, J. Wen. Hybrid meta-structure for broadband waterborne sound absorption. AIP Adv. 9 (12), 125226 (2019).
https://doi.org/10.1063/1.5126807
45. X. Zhou, X. Wang, F. Xin F. Ultrathin acoustic metamaterial as super absorber for broadband low-frequency underwater sound. Sci. Rep. 13 (1), 1 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41598-023-34993-0
46. Z. Liu, X. Zhang, Y. Mao, Y.Y. Zhu, Z. Yang, C.T. Chan et al. Locally resonant sonic materials. Science 289 (5485), 1734 (2000).
https://doi.org/10.1126/science.289.5485.1734
47. Z. Yang, J. Mei, M. Yang, N.H. Chan, P. Sheng. Membrane-type acoustic metamaterial with negative dynamic mass. Phys. Rev. Lett. 101 (20), 204301 (2008).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.204301
48. H. He, C. Qiu, L. Ye, X. Cai, X. Fan, M. Ke et al. Topological negative refraction of surface acoustic waves in a Weyl phononic crystal. Nature 560 (7716), 61 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-018-0367-9
49. X. Cai, Q. Guo, G. Hu, J. Yang. Ultrathin low-frequency sound absorbing panels based on coplanar spiral tubes or coplanar Helmholtz resonators. Appl. Phys. Lett. 22 (12), 105 (2014).
https://doi.org/10.1063/1.4895617
50. M. Yang, C. Meng, C. Fu, Y. Li, Z. Yang, P. Sheng. Subwavelength total acoustic absorption with degenerate resonators. Appl. Phys. Lett. 107 (10), 104104 (2015).
https://doi.org/10.1063/1.4930944
51. Y. Li, B.M. Assouar. Acoustic metasurface-based perfect absorber with deep subwavelength thickness. Appl. Phys. Lett. 108 (6), 063502 (2016).
https://doi.org/10.1063/1.4941338
52. J. Zhang, Y. Cheng, X. Liu. Extraordinary acoustic transmission at low frequency by a tunable acoustic impedance metasurface based on coupled Mie resonators. Appl. Phys. Lett. 110 (23), 063509 (2017).
https://doi.org/10.1063/1.4985154
53. Z. Xu, H. Meng, A. Chen, J. Yang, B. Liang, J. Cheng. Tunable low-frequency and broadband acoustic metamaterial absorber. J. Appl. Phys. 129 (9), 094502 (2021).
https://doi.org/10.1063/5.0038940
54. H.-W. Dong, S.-D. Zhao, M. Oudich, C. Shen, C. Zhang, L. Cheng et al. Reflective metasurfaces with multiple elastic mode conversions for broadband underwater sound absorption. Phys Rev Appl. 17 (4), 44013 (2022).
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044013
55. X. Zhou, M. Duan, F. Xin. Low-frequency underwater sound absorption of hybrid metamaterials using dissipative slow-sound. Phys. Lett. Sect. A Gen At Solid State Phys. 450, 1 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2022.128361
56. Y.Y. Chen, M.V. Barnhart, J.K. Chen, G.K. Hu, C.T. Sun, G.L. Huang. Dissipative elastic metamaterials for broadband wave mitigation at subwavelength scale. Compos Struct. 136, 358 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.09.048
57. H. Chen, X.P. Li, Y.Y. Chen, G.L. Huang. Wave propagation and absorption of sandwich beams containing interior dissipative multi-resonators. Ultrasonics 76, 99 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.ultras.2016.12.014
58. M.V. Barnhart, X. Xu, Y. Chen, S. Zhang, J. Song, G. Huang. Experimental demonstration of a dissipative multi-resonator metamaterial for broadband elastic wave attenuation. J. Sound Vib. 438, 1 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.08.035
59. H. Ryoo, W. Jeon. Broadband sound absorption using multiple hybrid resonances of acoustic metasurfaces. Int. J. Mech. Sci. 229, 107508 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107508
60. L. Feng. Modified impedance tube measurements and energy dissipation inside absorptive materials. Appl. Acoust. 74 (12), 1480 (2013).
https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2013.06.013
61. F. Bucciarelli, M. Meo. Broadening sound absorption coefficient with hybrid resonances. Appl. Acoust. 160, 107136 (2020).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
