Metamateriais acústicos fractais híbridos para baixo

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20444 (2022) Citar este artigo

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O trabalho proposto enumera metamateriais acústicos híbridos finos e de comprimento de onda profundo (2 cm) atuando como um tipo completamente novo de absorvedor de som, mostrando múltiplos efeitos de absorção de som de banda larga. Com base na distribuição fractal das estruturas do ressonador de Helmholtz (HRs), integradas com um design cuidadoso e construção de um painel microperfurado cruzado híbrido (CMPP) que demonstra um comportamento de absorção sonora de baixa frequência de aproximadamente uma oitava de banda larga. Para determinar o coeficiente de absorção sonora deste novo tipo de metamaterial, são usados ​​o modelo de impedância equivalente para a cavidade fractal e o modelo de Maa microperfurado para CMPP. Validamos esses novos designs de materiais por meio de dados numéricos, teóricos e experimentais. É demonstrado que o design do material possui absorção sonora superior, principalmente devido às perdas por atrito da estrutura impostas à energia das ondas acústicas. Os picos de diferentes fenômenos de absorção sonora mostram sintonizabilidade ajustando os parâmetros geométricos das estruturas fractais como espessura da cavidade 't', diâmetro de perfuração transversal do painel microperfurado, etc. As estruturas fractais e seu painel de perfuração são otimizados dimensionalmente para máxima absorção sonora de banda larga que é estimado numericamente. Este novo tipo de cavidade fractal integrada com metamaterial acústico CMPP tem muitas aplicações como em múltiplos materiais funcionais com comportamento de absorção de banda larga, etc.

Numerosos usos para o absorvedor de som de baixa frequência de banda larga espessa de subcomprimento de onda profunda podem ser encontrados em camuflagem acústica e redução de ruído. Um metamaterial acústico é um excelente candidato para enfrentar todos os desafios com um projeto cuidadoso de estruturas que podem possuir propriedades acústicas extraordinárias, como absorção de ruído de banda larga1,2,3,4,5, isolamento acústico6,7,8, propriedades de camuflagem de ruído9,10, jateamento acústico properties11 etc. Os metamateriais acústicos são bem conhecidos como estruturas artificiais ou feitas pelo homem que podem ser programadas através de densidade efetiva negativa12,13, módulo efetivo negativo14,15 e módulo e densidade negativos simultâneos16,17,18. Pesquisadores propuseram recentemente metamateriais acústicos fractais 2D19 e metamateriais acústicos fractais labirínticos 3D20, que podem possuir propriedades de bloqueio de som multibanda no domínio de baixa frequência. Outro isolador de som de baixa frequência de banda larga é projetado por meio de um metamaterial do tipo membrana21 inspirado em uma teia de aranha. Os pesquisadores podem procurar encontrar estruturas leves de diferentes designs de materiais que possuam excelente absorção sonora para resolver desafios relacionados ao controle de ruído22,23. Além disso, há muito tem sido um desafio obter absorção sonora de banda larga, mantendo a espessura e a leveza como propriedades estruturais. Projetos de metamateriais, como estruturas multi-enroladas24, podem atingir absorção perfeita em frequência extremamente baixa de 50 Hz com espessura de 1,3, mas não podem ser ajustados depois de fabricados. Os pesquisadores também experimentaram painéis microperfurados convencionais (MPP)25,26,27,28, com cavidade traseira, metamateriais baseados em ressonadores Helmholtz embutidos no pescoço Cascade29, MPP com ressonador Helmholtz embutido no pescoço30 e alcançaram com sucesso um bom nível geral de absorção sonora em baixas frequências. No entanto, a espessura da cavidade de suporte é geralmente superior a 5 cm para obter um comportamento de absorção sonora de banda larga. Os metamateriais de membrana ultrafina (MM)31,32 são bons candidatos para o comportamento de absorção sonora de banda larga, mas o problema no MM é o efeito de afrouxamento da membrana, que pode ocorrer no devido tempo após o uso repetido.

Este artigo desenvolveu um novo tipo de design de placa frontal microperfurada sintonizável (com diâmetro de perfuração ≤ 1 mm) apoiado por geometria fractal conforme mostrado na Fig. 1, de dimensões de subcomprimento de onda que demonstram excelente comportamento de absorção sonora de banda larga. A espessura deste design de metamaterial clássico é inferior a 2 cm e pode ser facilmente programado/ajustado de acordo com a necessidade industrial e escopo em diferentes campos.