进展 | 拓扑优化的全向宽带声通风屏障

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隔声广泛应用于从噪声控制到建筑声学的各种场景，常规声屏障会同时阻挡气流的传输，在某些要求同时降低噪音和允许气流通过的特定情况下，这是不可行的。

声学超材料通过螺旋形、迷宫式结构或者亥姆霍兹共振器等结构，提供透气屏障的可能性。然而，上述超材料由于共振的分散性通常作用频带较窄。而实际噪声频带宽且入射方向随机性大，因此设计全向宽带声学通风屏障仍然是一个挑战。

拓扑优化是一种展现如何将材料放置在指定的设计域内，以获得最佳结构性能的方法。当前使用最广泛的方法是基于密度的方法，该方法使用归一化的密度作为设计变量来实现两相或更多相的材料分布。最近的研究工作，例如声子晶体，局部共振的声学材料，二维 (2D) 弹性波障，室内声障，波动转换和反应式消声器，已证明了在声波处理领域中使用拓扑优化的好处。然而，大多数拓扑优化设计没有实验验证，这正是扩大声学拓扑优化方法的实际应用所必需的。

近日，南京大学物理系声学研究所的程建春教授团队使用拓扑优化方法设计并实验性地实现了全方位宽带声学通风屏障。该团队利用在阻抗不连续处发生的布拉格散射机制，提出一种利用隔声收缩结构和中央空心通道构成的宽带声屏障。随后，他们在这个声屏障的基础上采用基于密度的拓扑优化方法进行了逆向设计，在保持低传输率的同时将隔音层扩大近90％。

拓扑优化方法系统地优化了在初始屏障中按间隔分布的散射体的大小，形状和方向、尺寸，使其具有许多复杂的特征，从而在所需的频率范围内产生最大的反射率。此外，他们还进行了不同入射角的实验，以验证优化的设计，其结果与仿真结果一致。由于减少了固体材料的填充率和减少了空气动力学损失，与初始屏障 (49.2％) 相比，优化屏障的测得通风率达到60.8％，这显示出较高的通风效果。

他们的设计开辟了设计隔音材料的途径，这些隔音材料可使应用同时具有透气性和隔音性。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。

文章链接：
Xu, Z.-x., et al., Topology-Optimized Omnidirectional Broadband Acoustic Ventilation Barrier. Physical Review Applied, 2020. 14(5): p. 054016.

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054016

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：钟雨豪。