新型紧凑型元消音器设计利用声学黑洞和彩虹捕获效应

Josiah02 · 发表于 2024-9-12 15:13:57

车辆、电器和工业产生的长期低频噪音会对心理健康造成损害，导致压力和焦虑。传统的消音器需要笨重的设计才能有效降低低频噪音。
声学超材料的最新进展利用了慢波效应，并有望通过更紧凑的设计降低低频噪声。其中值得注意的是能够产生声学黑洞 (ABH) 的设备，这种设备会不断减慢声波的速度，直到其速度达到零。另一种选择是声学彩虹捕获 (RT)，其中声波被限制在结构内的特定路径上，在不同位置分离和捕获不同的频率。
利用这些效应，韩国釜山国立大学机械工程系宋京俊教授领导的研究小组开发出了一种创新的盘管式元消音器。
宋教授解释说：“我们的超消音器采用紧凑设计，具有四个平行谐振器，每个谐振器都包含一个盘绕多缝，利用 ABH 和 RT 机制有效降低低频噪声。”他们的研究发表在《机械系统与信号处理》杂志上。
元消音器设计的特点是四个谐振器平行放置在立方体波导周围。每个谐振器由三部分组成：内部腔体、多缝和入口。多缝的特点是，在谐振器的顶部和底部放置了二次喇叭状的缝隙，在入口处变宽，并逐渐向腔体变窄，从而逐渐改变声阻抗，促进 ABH 效应。
此外，随着频率的增加，多缝隙会根据频率充当独立的谐振器，从而产生 RT 效应。由于 RT 效应显示缝隙长度与频率之间存在反比关系，因此研究人员实施了盘绕缝隙设计，以在低频下实现高效的 RT 。
研究人员开发了三种不同的谐振器设计，按狭缝长度分类，并使用模拟和实验验证评估其性能。模型 1 采用直狭缝，而模型 2 的顶部狭缝比模型 1 长 1.3 倍，底部狭缝比模型 1 短 0.7 倍。模型 3 采用了模型 2 结构的盘绕狭缝结构。
结果表明，超消声器主要以三种隔音模式运行：基础平面波模式、由 ABH 效应引起的多缝局域模式以及由 RT 效应产生的单缝局域模式。在模型 3 中引入盘绕缝隙可提高其性能，将声波速度达到零的频率移至 728 Hz。
此外，它在 200–1800 赫兹 (Hz) 的宽频带内实现了 6.73 分贝 (dB) 的平均实验声音传输损耗 (STL)，吸收系数为 0.49。研究人员还设计了一种双串联阵列元消音器，由两个背靠背排列的元消音器组成，使平均 STL 几乎翻了一番，达到 13.07 dB，最大吸收系数达到 0.9。
“与传统的大型消声器不同，这种紧凑型元消声器可以直接集成到微型机器和狭窄空间中，例如发动机舱和机械外壳，从而从源头提供有针对性的低频降噪。该技术可以应用于航空等领域，以实现更安静的机舱，并减少城市地区建筑、交通和工业活动的噪音，使家庭更安静，提高生活质量，”宋教授说。
“原型开发和测试计划已经在进行中，我们预计在未来 2-3 年内将在市场上看到首批商业产品，为更加安静的生活和工作环境铺平道路。”

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