Page 27 - 《应用声学》2019年第6期

第 38 卷 第 6 期 关淅文等： 薄膜超构表面声扩散体扩散性能研究 929

表面特定胞元结构的构造，根据薄膜超材料的特性， 扩撒性能要好得多。在高频处，由于高阶模态的存
附加质量块的薄膜具有负有效质量和负有效刚度， 在，扩散系数将减小，这表明通过调整结构参数来
刚性质量块对声波存在较强的反射作用，薄膜对质 提高截止频率可以实现薄膜超构扩散体的超宽带
量块的牵引，可将复杂系统简化为质量块-弹簧振动 宽的可能性。本文提出的扩散器具有简单性和有效
模型 [16] 。受到声波的激励，薄膜牵引质量块运动产 性，可为声学扩压器的设计提供一种替代方案。此
生负的有效质量，然后当质量块和薄膜的相位相差 外，对于需要较大面积的扩散体，可以通过重复排列

180 时，质量块与薄膜运动方向相反，相位差为 0 ◦ 扩散体胞元结构来构造它。
◦
时，质量块与薄膜运动方向相同 [20] 。附加质量在一
定程度上将入射的声波以局域共振的方式衰减，使 0.9
0.8 ᘙᒛᡔ౞᛫᭧ੱஙʹ
结构具有了更宽的共振频带。薄膜共振存在黏滞损 ஷᎭॴੱஙʹ
0.7
耗，利用 Comsol Multiphysics 热声模块，考虑到亚 0.6
尺度结构整体的黏滞效应，将边界的黏滞效应和薄 ੱஙጇ஝ 0.5
膜的阻尼的损耗等效设置为薄膜损耗因子，令薄膜 0.4
0.3
损耗因子从 0.03∼0.1 变化，通过仿真结果发现，损
0.2
耗因子的变化对薄膜型散射体的声能分布没有太 0.1
大影响。图 5 给出了损耗因子为 0.5 和没有黏滞效 0
0 2000 4000 6000 8000
应的薄膜型扩散体的声能分布。 ᮠဋ/Hz
(a) 30°ੱஙጇ஝ࠫඋڏ

0.9
0.8 ᘙᒛᡔ౞᛫᭧ੱஙʹ
ஷᎭॴੱஙʹ
0.7
0.6
ੱஙጇ஝ 0.5

0.4
(a) ᳫ໕ 0.3
0.2
0.1
0
0 2000 4000 6000 8000
ᮠဋ/Hz
(b) 45°ੱஙጇ஝ࠫඋڏ
1.0
0.9 ᘙᒛᡔ౞᛫᭧ੱஙʹ
ஷᎭॴੱஙʹ
(b) ௄ᳫ໕ 0.8
0.7
图 5 黏滞与无黏滞声场分布图 ੱஙጇ஝ 0.6
Fig. 5 Viscous and non-viscous sound field distri- 0.5
0.4
bution
0.3
现实情况下，声波不可能实现非常完美的垂 0.2
0.1
直正入射，设计声波入射角度为 30 、45 、60 得到
◦
◦
◦
0
扩散体的扩散系数如图 6 所示，对比这三种情况下 0 2000 4000 6000 8000
ᮠဋ/Hz
薄膜超构表面声扩散体和传统施罗德扩散体的性 (c) 60°ੱஙጇ஝ࠫඋڏ
能优劣。其中蓝色和红色两条线表示两种胞元结
图 6 薄膜超构表面扩散体与施罗德扩散体扩散系
构厚度分别为 10 mm 的薄膜超构表面声扩散体和 数对比图
50 mm 的施罗德扩散体的扩散系数曲线。通过模 Fig. 6 Comparison of diffusion coefficient be-
拟，可以看出，4000 Hz 频带内，三种入射角情况下， tween thin film superstructure surface diffuser and
薄膜超构表面扩散体的性能都比施罗德扩散体的 Schroeder diffuser