杂化共振引起的超常声学吸收和杂化共振超材料表面的声电能转换的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开内容涉及声学超材料，该声学超材料涉及利用杂化共振超结构的能量产 生。
【背景技术】
[0002] 声学超材料是旨在实现传统材料中无法获得的声学/弹性性质而人造的结构。尤 其是，在各种不同设计中展示出负的有效动态质量密度。具有负的声学性质的材料呈现出 负的质量密度和负的体弹模量，因此呈现出负的折射系数。还在具有共振腔的流体通道中 实现了负的有效体弹模量。还通过实验实现了诸如聚焦、成像放大、声学隐声、全吸收之类 的其他效应。目前，只有通过薄膜与带侧孔的管道的复合结构实现了有效质量密度和体弹 模量两者同时为负。
[0003] 近十年来出现的声学超材料扩大了声波操纵范围。已设想并随后实现了诸如空气 载声（airbornesound)的高效衰减、隐声、亚衍射成像和控制、低频全吸收等效应。许多这 些突破性进展得益于如下方法的出现，该方法将复杂系统缩减为虚拟均质材料，由一小组 有效构成参数来表征该材料。期望的是将类似方法应用到解决低频声音的声学吸收这一传 统难题。
[0004] 空气载声波的吸收是理论和实践长期以来关注的问题。诸如多孔/纤维体材料、 微穿孔、共振结构和随机散射体之类的各种技术已被用来改进对于某些特定频率或在宽频 带上的吸声性能。这些方法寻求通过增加耗散系数、延迟声波传播或增加吸收体内的能量 密度来耗散声能。
[0005] 声音的耗散本质上是空气粒子的动能向热能的转化。最终这必须经由粘滞和摩擦 的组合来进行；即，耗散的能量通常正比于（线性系统中的）位移的第一时间导数的平方乘 以粘度系数。尽管如此，大粘度系数不一定导致高吸收，这是因为大粘度系数会同时导致空 气和吸收体之间的阻抗失配。在这样的情况下，大部分入射能量将在界面处被反射。因此， 只有当整个系统的粘度和阻抗符合特定条件时，吸收体才可以达到其最佳性能。
[0006] 超材料的特征之一在于，根据它们的基本设计，它们可以达到超级吸收状态，在该 状态薄片或重物以最大幅度振动。期望的是能够提取超材料所吸收的能量，以增加超材料 吸收声音或其他振动能的能力。
【发明内容】
[0007] -种声音吸收超材料，其包括声阻抗匹配表面，该表面被构造为最小化入射声波 的反射。该表面包括弹性或柔性薄膜以及安装在该薄膜上的实质上为刚性的重物。相对固 体表面被设置作为反射表面并且位于所述薄膜后方。所述反射表面与所述弹性或柔性薄膜 隔开预定距离并且在所述薄膜和所述固体表面之间形成流体空间。安装在薄膜上的重物与 弹性薄膜的组合建立了多个本征频率。
[0008] 在一个特定构造中，发电机可操作地与所述薄膜相连接，使得其能够从该薄膜充 分地提取振动能量以衰减该振动能量。对振动能量的提取使在没有发电机时被消散为热的 一部分吸收声能转换为电能。
[0009] 在另一特定构造中，在薄膜上方支撑有薄片，该薄片与薄膜充分隔开以对风的移 动进行响应。风的移动使得所述薄片拍动和起伏，使得薄膜处的压力改变，随之响应于风的 移动而产生电能。
【附图说明】
[0010] 图1A和图1B是示出超材料单元的示意图。图1A示出了该单元，图1B示出了该 单元的位移的两种模式。
[0011] 图2A和图2B是一组吸收体单元的示意图。图2A示出了一组三个相同的吸收体 单元。图2B示出了图2A的吸收体单元中的一个的细节。
[0012] 图3是示出图2A和图2B示出的三个相同的吸收体单元的测得的吸收系数（实线 曲线）和反射系数（虚线曲线）的图形化示意。
[0013]图4是示出当被平面声波激发时图2A和图2B的吸收体的仿真速度分布的图形化 表示。薄膜由分开两个矩形区域的粗线表示。水平箭头k表示声音传播的方向。
[0014]图5是示出具有不同操作频率的三个吸收体的测得的吸收系数和反射系数的图 形化示意。
[0015] 图6是利用由杂化共振引起的超常声学吸收的能量转换装置的示意图。
[0016] 图7A是用于对能量转换进行测试的构造的示意图，表示了图6的能量转换装置的 物理特性。
[0017] 图7B至图7D是图7A的能量转换装置处测得的响应特性的图形化示意。图7B示 出了作为频率的函数而描绘的吸收系数。图7C是在152Hz处测得的振动轮廓的曲线图。利 用一侧上沿径向的数据，这表现为对称曲线。图7D是作为频率的函数的由中心薄片的振动 产生的电动势（EMF)的曲线图。
[0018] 图8A和图8B是示出在可调的多个频率处实现接近全吸收（> 99% )的图。图 8A示出了其中阻抗管包括三个杂化共振单元的布置。图8B示出了作为频率的函数而描绘 的吸收系数。
[0019] 图9A和图9B是阻抗匹配的杂化共振频率处不同参数之间的关系的图形化表示。 图9A示出了无量纲的耗散参数和密封气体层的厚度。图9B示出了杂化振动频率处的法向 位移的变化。
[0020] 图10A和图10B是示出用于从风产生电能的能量吸收超材料单元的示意图。图 10A示出了静止状态下的单元。图10B示出了吹风状态下的单元。
【具体实施方式】
[0021] 概况
[0022] 声阻抗匹配表面具有不反射入射声波的属性，从而声波要么完全透过该表面，要 么完全被吸收。通过用装饰过或增强过的弹性薄膜覆盖反射固体表面并与该表面隔开窄的 间隙，可以实现包括两个共振本征模式的稳健的杂化共振。所述共振使得能够与空气载声 或振动完美匹配的阻抗。
[0023] 所述弹性薄膜与所述反射固体表面隔开定义了所述窄的间隙的预定距离。通过选 择预定的间隙以及装饰过或增强过的弹性薄膜的共振频率，建立两个本征模式。所述本征 模式仅由装饰过的薄膜的结构参数（比如半径、中心质量）决定，而杂化共振模式与后方的 空气腔有关，该空气腔提供了额外阻抗并使所述两个本征模式一起形成新的杂化模式。所 述两个本征模式通过非限制性示例的方式给出，并且具有固定边界的薄膜重量结构在相应 的本征频率处具有许多固有本征模式，上述两个本征模式仅是薄膜重量结构的第一本征模 式和第二本征模式。在一个非限制性示例中，与空气间隔或反射体不同，本征频率可以由薄 膜结构本身决定。
[0024] 通过利用薄膜型声学超材料（MAM)反共振频率附近的有效质量密度非常规性，可 以看出当与具有反射背面的窄的空气腔耦合时，可以使全反射表面在特定频率处与空气的 阻抗匹配，从而完全消除反射声音并达致完全吸收。这种超常吸收的状况与全透射情况 (其也是零反射状态）相仿。在当前实例中应当强调的是，利用创纪录的低的装置厚度实现 了低频声音的全吸收。
[0025] 耗散功率一般与局部位移改变速率是二次平方关系；因此低频声音吸收是传统难 题。使耗散最大化的一般方法涉及将吸收体置于共振状态，在该状态最可能出现最大位移。 根据本公开内容，低频声音的超常声学吸收（例如，频率200Hz附近大于99% )通过如下吸 收装置来实现，该吸收装置包括背面有窄的气腔的装饰过或增强过的薄膜。据发现当装饰 过或增强过的薄膜与具有反射背面的窄的腔体耦合时，可以产生该装置的新的共振，在接 近单个装饰过或增强过的薄膜的反共振频率处装置的总有效质量接近零。这产生了与空气 中传播的声音的阻抗匹配条件，从而导致接近零反射。由于该装置背面有全反射背面，所以 也不存在透射；因此全部入射能量被吸收。实验中发现了声音的接近全吸收，其中波长比吸 收体装置的厚度大1至2个量级。
[0026] 在一个非限制性示例中，选择170Hz的杂化共振频率并且该共振频率是可调的。 薄膜的最大位移幅度可达到10μm，其比强度为IPa的入射声波的幅度大一个量级，尽管整 个薄膜上的平均位移要小得多。由此可见，大的位移幅度使全吸收得以实现。
[0027] 本公开内容涉及针对低频空气载声呈现出超常吸收性能的声学装置的构造。其近 全吸收的横向界面远大于器件的实际截面。
[0028] 声音的耗散实质上是空气粒子的动能向热能的转换。最终这必须经由粘度/摩擦 来进行；即，耗散量正比于（线性系统中的）位移的第一时间导数乘以粘度系数。尽管如此， 大粘度系数不一定会导致高吸收量，这是因为大的粘度系数会同时导致空气和吸收体之间 的阻抗失配。在这种情况下，大部分入射能量将在界面处被反射。因此，只有当粘度系数和 整个系统的阻抗符合特定条件时，吸收体才可以达到其最佳性能。通过利用薄膜型声学超 材料（MAM)反共振频率附近的有效质量密度非常规性，可以看出当与具有反射背面的窄的 空气腔耦合时，可以使全反射表