낮은 하이브리드 프랙탈 음향 메타물질

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20444(2022) 이 기사 인용

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제안된 작업은 완전히 새로운 유형의 흡음재 역할을 하는 하이브리드 얇고 깊은 서브파장(2cm) 음향 메타물질을 열거하며 다양한 광대역 흡음 효과를 보여줍니다. 헬름홀츠 공진기(HR) 구조의 프랙탈 분포를 기반으로 신중한 설계와 통합되어 약 1옥타브 저주파 흡음 동작에 대한 넓은 밴딩을 보여주는 하이브리드 크로스 마이크로 천공 패널(CMPP)을 구성합니다. 이 새로운 유형의 메타물질의 흡음 계수를 결정하기 위해 프랙탈 공동에 대한 등가 임피던스 모델과 CMPP에 대한 미세 천공 Maa 모델이 모두 사용됩니다. 우리는 수치적, 이론적, 실험적 데이터를 통해 이러한 새로운 재료 설계를 검증합니다. 재료 설계는 주로 음파 에너지에 가해지는 구조의 마찰 손실로 인해 우수한 흡음 특성을 갖고 있음이 입증되었습니다. 다양한 흡음 현상의 피크는 캐비티 두께 't', 미세 천공 패널의 교차 천공 직경 등과 같은 프랙탈 구조의 기하학적 매개변수를 조정하여 조정 가능성을 보여줍니다. 프랙탈 구조와 천공 패널은 최대 광대역 흡음을 위해 차원적으로 최적화되어 있습니다. 수치로 추정되는 것입니다. CMPP 음향 메타물질과 통합된 이 새로운 종류의 프랙탈 캐비티는 광대역 흡수 거동 등을 갖춘 다중 기능성 재료와 같이 많은 응용 분야를 가지고 있습니다.

깊은 서브파장 두꺼운 광대역 저주파 흡음재의 다양한 용도는 음향 클로킹 및 소음 감소에서 찾을 수 있습니다. 음향 메타물질은 광대역 소음 흡수1,2,3,4,5, 방음6,7,8, 소음 클로킹 특성9,10, 음향 분사와 같은 특별한 음향 특성을 가질 수 있는 구조의 신중한 설계로 모든 문제를 해결할 수 있는 탁월한 후보입니다. 음향 메타물질은 음의 ​​유효 밀도12,13, 음의 유효 계수14,15, 동시 음의 계수 및 밀도16,17,18를 통해 프로그래밍할 수 있는 인공 또는 인공 구조로 잘 알려져 있습니다. 연구자들은 최근 저주파 영역에서 다중 대역 사운드 차단 특성을 가질 수 있는 2D 프랙탈 음향 메타물질19 및 3D 미로 프랙탈 음향 메타물질20을 제안했습니다. 또 다른 광대역 저주파 소음 차단 장치는 거미줄에서 영감을 받은 멤브레인형 메타물질을 통해 설계되었습니다. 연구자들은 소음 제어22,23와 관련된 문제를 해결하기 위해 우수한 흡음성을 갖는 다양한 재료 설계의 경량 구조를 찾으려고 노력할 수 있습니다. 또한, 얇고 가벼운 무게를 구조적 특성으로 유지하면서 광대역 흡음성을 확보하는 것이 오랫동안 과제로 제기되어 왔습니다. 다중 코일 구조24와 같은 메타물질 설계는 1.3 두께의 극저주파 50Hz에서 완벽한 흡수를 달성할 수 있지만 일단 제작되면 조정할 수 없습니다. 연구원들은 또한 후면 캐비티가 있는 기존의 마이크로 천공 패널(MPP)25,26,27,28, 캐스케이드 넥 내장형 헬름홀츠 공진기 기반 메타물질29, 목 내장형 헬름홀츠 공진기가 포함된 MPP30를 시도하여 전반적으로 우수한 흡음 수준을 성공적으로 달성했습니다. 낮은 주파수에서. 그러나 광대역 흡음 거동을 얻기 위해서는 배킹 캐비티의 두께가 일반적으로 5cm 이상입니다. 초박형 멤브레인 메타물질(MM)31,32은 광대역 흡음 거동에 대한 매우 좋은 후보이지만 MM의 문제는 반복 사용 후 적절한 시간이 지나면 발생할 수 있는 멤브레인 느슨해짐 효과입니다.

이 기사에서는 탁월한 광대역 흡음 동작을 보여주는 서브파장 크기의 그림 1에 표시된 프랙탈 기하학으로 뒷받침되는 새로운 유형의 조정 가능한 미세 천공 페이스 시트 디자인(천공 직경 1mm 이하)을 개발했습니다. 이 고전적인 메타물질 디자인의 두께는 2cm 미만이며 다양한 분야의 산업적 필요와 범위에 따라 쉽게 프로그래밍/조정할 수 있습니다.