Hybride fraktale akustische Metamaterialien für niedrige

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20444 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die vorgeschlagene Arbeit zählt hybride, dünne, tiefe Subwellenlängen (2 cm) akustische Metamaterialien auf, die als völlig neue Art von Schallabsorbern fungieren und mehrere breitbandige Schallabsorptionseffekte zeigen. Basierend auf der fraktalen Verteilung von Helmholtz-Resonator-Strukturen (HRs), integriert mit sorgfältiger Planung und Konstruktion von Hybrid-Kreuz-Mikroperforationsplatten (CMPP), die ein breites Bandenverhalten bei der Niederfrequenzschallabsorption von etwa einer Oktave zeigen. Um den Schallabsorptionskoeffizienten dieses neuartigen Metamaterialtyps zu bestimmen, werden sowohl das äquivalente Impedanzmodell für den fraktalen Hohlraum als auch das mikroperforierte Maa-Modell für CMPP verwendet. Wir validieren diese neuartigen Materialdesigns anhand numerischer, theoretischer und experimenteller Daten. Es wird gezeigt, dass das Materialdesign eine überlegene Schallabsorption aufweist, die hauptsächlich auf die Reibungsverluste der Struktur aufgrund der akustischen Wellenenergie zurückzuführen ist. Die Spitzen verschiedener Schallabsorptionsphänomene zeigen eine Einstellbarkeit durch Anpassung der geometrischen Parameter der fraktalen Strukturen wie Hohlraumdicke „t“, Querperforationsdurchmesser der mikroperforierten Platte usw. Die fraktalen Strukturen und ihre Perforationsplatte sind hinsichtlich ihrer Abmessungen für eine maximale breitbandige Schallabsorption optimiert was numerisch geschätzt wird. Diese neue Art von fraktalem Hohlraum, der in CMPP-Akustik-Metamaterial integriert ist, hat viele Anwendungen, beispielsweise in mehreren Funktionsmaterialien mit Breitbandabsorptionsverhalten usw.

Der Breitband-Niederfrequenz-Schallabsorber mit tiefer Subwellenlänge findet zahlreiche Einsatzmöglichkeiten bei der akustischen Tarnung und Lärmreduzierung. Ein akustisches Metamaterial ist ein hervorragender Kandidat für die Bewältigung aller Herausforderungen durch eine sorgfältige Gestaltung von Strukturen, die außergewöhnliche akustische Eigenschaften wie breitbandige Schallabsorption1,2,3,4,5, Schalldämmung6,7,8, Schalldämmeigenschaften9,10 und akustisches Jetting aufweisen können Eigenschaften11 usw. Akustische Metamaterialien sind als künstliche oder künstliche Strukturen bekannt, die durch negative effektive Dichte12,13, negativen effektiven Modul14,15 und gleichzeitigen negativen Modul und Dichte16,17,18 programmiert werden können. Forscher haben kürzlich 2D-fraktale akustische Metamaterialien19 und 3D-labyrinthartige fraktale akustische Metamaterialien20 vorgeschlagen, die Multiband-Schallblockierungseigenschaften im Niederfrequenzbereich besitzen können. Ein weiterer Breitband-Niederfrequenzschallisolator basiert auf einem von Spinnennetzen inspirierten membranartigen Metamaterial21. Forscher könnten versuchen, leichte Strukturen aus unterschiedlichen Materialdesigns zu finden, die über eine hervorragende Schallabsorption verfügen, um Herausforderungen im Zusammenhang mit der Lärmkontrolle zu lösen22,23. Darüber hinaus war es lange Zeit eine Herausforderung, eine breitbandige Schallabsorption zu erreichen und gleichzeitig die strukturellen Eigenschaften dünn und leicht zu halten. Metamaterialdesigns wie mehrspiralförmige Strukturen24 können bei einer extrem niedrigen Frequenz von 50 Hz mit einer Dicke von 1,3 eine perfekte Absorption erzielen, können sich aber nach der Herstellung nicht mehr anpassen. Forscher haben auch herkömmliche mikroperforierte Platten (MPP)25,26,27,28 mit hinterem Hohlraum, Cascade-Hals-eingebetteten Helmholtz-Resonatoren auf Basis von Metamaterialien29 und MPP mit Hals-eingebettetem Helmholtz-Resonator30 ausprobiert und dabei erfolgreich ein insgesamt gutes Schallabsorptionsniveau erreicht bei niedrigen Frequenzen. Um ein breitbandiges Schallabsorptionsverhalten zu erzielen, beträgt die Dicke des Hinterlegungshohlraums jedoch üblicherweise mehr als 5 cm. Ultradünne Membran-Metamaterialien (MM)31,32 sind ein sehr guter Kandidat für ein breitbandiges Schallabsorptionsverhalten, das Problem bei MM ist jedoch der Membranlockerungseffekt, der mit der Zeit nach wiederholter Verwendung auftreten kann.

In diesem Artikel wurde ein neuer Typ eines abstimmbaren mikroperforierten Deckblattdesigns (mit Perforationsdurchmesser ≤ 1 mm) entwickelt, das durch die fraktale Geometrie unterstützt wird, wie in Abb. 1 dargestellt, mit Subwellenlängenabmessungen, die ein ausgezeichnetes breitbandiges Schallabsorptionsverhalten zeigen. Die Dicke dieses klassischen Metamaterialdesigns beträgt weniger als 2 cm und es kann problemlos entsprechend den industriellen Anforderungen und Anwendungsbereichen in verschiedenen Bereichen programmiert/abgestimmt werden.

(a) Schematische Darstellung einer hybriden Metamaterialplatte mit kreuzperforierter fraktaler Struktur, bestehend aus einer kreuzmikroperforierten oberen Deckschicht, einer Helmholtz-Hakenkreuz-Fraktalstruktur als Kern und einer Rückplatte als untere Deckschicht. (b) Eine Elementarzelle, Seitenwand vertikal abgeschnitten, um Details im Inneren zu sehen. (c) CMPP mit unterschiedlichen Perforationsgrößen in Richtung eins mit Perforationsdurchmesser d1 und Richtung zwei mit d2 und dem hinteren fraktalen Hohlraum. Mit freundlicher Genehmigung (ANSYS 17.045).

Die Serie-Parallel-Schaltungsanalogie wird angewendet, um eine äquivalente Impedanzmethode zu erhalten, mit deren Hilfe eine Theorie zur Berechnung des Schallabsorptionskoeffizienten für diese neue Klasse fraktaler Designs vorgeschlagen wird. Dies funktioniert auch experimentell, validiert und vergleicht mit dem theoretischen Modell und einem Finite-Elemente-Modell. Eine perfekte Schallabsorption wird um 1000 Hz erreicht, zusammen mit einer breitbandigen Schallabsorption ab 400 bis 1600 Hz, wenn die Dicke dieser einzigartigen Metamaterialien etwa 20 mm beträgt. Eine nahezu perfekte Schallabsorption wurde um 1000 Hz gefunden, zusammen mit einer relativen Absorptionsbandbreite von einer Oktave ab 600 Hz, wenn die Dicke der Metamaterialien nur 20 mm beträgt und die Integration von zwei Elementarzellen erfolgt. Wir haben auch die vier Elementarzellen integriert, um eine breitbandige Schallabsorption zu erreichen und erfolgreich eine um 61 % höhere relative Bandbreite und einen Schallabsorptionskoeffizienten von über 80 % zu erreichen.

Das vorgeschlagene akustische Metamaterial verfügt über zwei Deckschichten und einen Kern mit einer Hakenkreuz-Fraktalstruktur, wie in Abb. 1 dargestellt. Das CAD-Modell der vorgeschlagenen Metastruktur ist ein Design im Design Modeler von ANSYS 17.045. Die obere Deckschicht besteht aus einer Querperforation mit einheitlichem Perforationsdurchmesser in Richtung „1“ (d1) und Richtung „2“ (d2) in einer mikroperforierten Platte (CMPP). Die einzigartigen Helmholtz-Resonatoren sind fraktal verteilt und fungieren als akustischer Hohlraumkern mit der unteren Deckschicht in Form einer starren Trägerplatte. Der fraktale Kern basiert auf neuartigen fraktalen Formen und enthält mehrere Helmholtz-Resonatoren entlang der Arme der fraktalen Form. In den Zweigen der ersten Ebene wird die Einheitsform (seitlich verzweigter Helmholtz-Resonator) jeweils um \(90^\circ,180^\circ \, \mathrm{und} \, 270^\circ\) gedreht, um vier Arme zu erzeugen Die fraktale Struktur ist kreuzungsartig miteinander verbunden. Da der Helmholtz-Arm alle 90° n-mal zu einer verkleinerten Geometrie iteriert, die mit dem Basisarm (Helmholtz-Resonatoren) verbunden ist. Für jede Iteration wird ein Skalierungsfaktor von 0,6 verwendet. Die endgültige akustische Metastruktur, bis zu der wir sie untersuchen, entspricht einem „n“-Wert von 3 und der endgültigen Kernstruktur, die in Abb. 1c dargestellt ist.

Im Allgemeinen kann der Absorptionskoeffizient aller akustischen Metamaterialien mit einer starr hinterlegten Platte anhand ihrer Impedanz abgeschätzt werden

wobei \({z}_{s}\) als Oberflächenimpedanz des akustischen Absorbers bekannt ist. \({z}_{0}={\rho }_{0}{c}_{0}\) ist die charakteristische Impedanz, wobei \({\rho }_{0}\) und \({c} _{0}\) sind Massendichte bzw. Schallgeschwindigkeit in Luft. Die Oberflächenimpedanz des vorgeschlagenen fraktalen CMPP wurde wie folgt berechnet:

Dabei sind \({z}_{Mp}\) und \({z}_{fc}\) die akustische Impedanz des CMPP bzw. der fraktalen Struktur, die den Hohlraum enthält.

Die Impedanz des Seitenzweigresonators Zr bei X1, wie in Abb. 1b in den Zusatzmaterialien dargestellt, wird als 33,34,35 ausgedrückt

wobei Zc = \(\rho c/{s}_{c}\) die Impedanz des Helmholtz-Hohlraums darstellt und Zh die Halsimpedanz der Resonatoren darstellt, wie von Seo et al.33 vorgeschlagen. \(l\) ist die Halslänge, \({s}_{c}\) ist die Querschnittsfläche des Hohlraums, \(h\) ist die Höhe des Hohlraums. hier ist \(k=2\pi f/c\) die Wellenzahl.

„Sh“ ist die Querschnittsfläche der Halsregion. Wir haben zunächst die äquivalente Impedanz des fraktalen Hohlraums \({z}_{fc}\) durch eine elektrische Analogie berechnet (weitere Einzelheiten finden Sie im Zusatzmaterial).

Die Impedanz der mikroperforierten Platte kann mit dem Maa-Modell36,37 berechnet werden

Wo

Und

wobei \(\varnothing =\) Porosität, \(\eta\) = dynamische Viskosität, \(\alpha\) = Perforationskonstante, d = Durchmesser des Lochs, t = Dicke der perforierten Platte, \(x=d\ sqrt{\frac{\omega {\rho }_{0}}{4 \eta }}.\)

Wir können nun die Gesamtimpedanz der Kreuzlochplatte einer einzelnen Einheit berechnen als

Dabei ist \(zm1\) die Impedanz des CMPP in Richtung 1 und \(zm2\) die Impedanz der Perforation in Richtung 2, wie in Abb. 1c dargestellt.

Wir sind somit in der Lage, die Gleichungen zu setzen. (8) und (13) (Ergänzungsmaterial) als Eingaben für die Gleichung. (2) und wir können dadurch theoretisch den Schallabsorptionskoeffizienten der kreuzmikroperforierten fraktalen akustischen Metamaterialien mit Hilfe von Gl. berechnen. (1). Das Absorptionskoeffizientenspektrum des theoretischen Modells wird mit MATLAB (R2016a)46 ermittelt.

Abbildung 2 zeigt die breitbandige Schallabsorption in diesem Fall. Wie wir deutlich beobachten können, ist der anfängliche Peak des Absorptionskoeffizienten des experimentellen Ergebnisses nicht in den FEM-Simulationswerten zu sehen, und ebenso ist der letzte Peak im theoretischen Modell nicht zu sehen. Obwohl die experimentellen, theoretischen und numerischen Ergebnisse hinsichtlich der Amplitude bei maximaler Absorption usw. eine gute Konsistenz aufweisen, wurde in theoretischen Modellen das Prinzip der linearen Überlagerung verwendet, wie in Gleichung (1) gezeigt. (8). Daher wird der nichtlineare Kopplungseffekt der Perforation und des Hohlraums der beiden deutlich abgeschnittenen akustischen Signale, die von den beiden Löchern mit unterschiedlichem Durchmesser in der Abdeckplatte ausgehen, bei der Bestimmung des theoretischen Spektrums nicht berücksichtigt. In numerischen Simulationen wurde angenommen, dass das CMPP einem porösen starren Körper entspricht und die viskothermischen Verluste über den fraktalen Kern als vernachlässigbar gering angesehen wurden38,39,40,41. Daher taucht der erste Absorptionspeak, wie er sowohl in experimentellen Daten als auch in theoretischen Vorhersagen deutlich beobachtet wird, in den Simulationsdaten nicht auf. Es wurde außerdem festgestellt, dass die experimentelle Frequenzbandbreite aufgrund des zusätzlichen Verlusts akustischer Energie um die raue Oberfläche, die durch den 3D-Druck entsteht, größer ist als die numerische und theoretische Vorhersage42,43. Ein nahezu perfekter Absorptionspeak tritt bei etwa 1000 Hz mit einer relativen Bandbreite von 50 % für die Parameter d1 = 0,5 mm und d2 = 1 mm auf und hat eine Porosität \({\mathrm{\o }}_{1}\) = 4,91 % und \({\mathrm{\o }}_{2}\) = 19,63 %. Dabei wird die relative Bandbreite als Verhältnis der Halbwertsbreite des Absorptionskoeffizienten zur Resonanzfrequenz berechnet. Es gibt zwei hohe Absorptionsspitzen, die einem Absorptionskoeffizienten von > 0,8 bei 700 Hz und einem Absorptionskoeffizienten von > 0,95 bei 1000 Hz entsprechen. Die geringen Unterschiede zwischen den Ergebnissen der FEM und den theoretischen Vorhersagen sind darauf zurückzuführen, dass die Wärmedissipation im Perforationsbereich vernachlässigt und nur die viskose Energiedissipation berücksichtigt wird.

Schallabsorptionskoeffizient von CMPP, vorhergesagt durch die Analysemethode, das FEM-Modell und experimentelle Ergebnisse. Mit freundlicher Genehmigung (MATLAB R2016a)46.

Wir beginnen mit der Variation der Dicke des fraktalen akustischen CMPP-Metamaterials, um unterschiedliche Schallabsorptionswerte im unteren Frequenzbereich zu erreichen. Bei bestimmten Werten des festen Querperforationsparameters (d1, d2) und der Porosität von \({\varnothing }_{1}\) und \({\varnothing }_{2}\) ist die variable fraktale Kerndicke von 't' gegeben Die Schallabsorptionsbandbreite wird bei einer bestimmten Frequenz ermittelt, wie in Abb. 3a dargestellt.

Schallabsorptionskoeffizient von CMPP bei verschiedenen akustischen Parametern. (a) Dicke des Fraktalkerns. (b,c) Porosität von CMPP. Mit freundlicher Genehmigung (MATLAB R2016a)46.

Mit zunehmender Dicke „t“ des fraktalen Kerns verschiebt sich die Schallabsorptionskurve bei festen Perforationsparametern d1 = 0,5 mm bzw. d2 = 1 mm allmählich von hoher zu niedriger Frequenz. Eine nahezu perfekte Schallabsorptionsspitze (96,66 %) wird bei 800 Hz mit einer relativen Absorptionsbandbreite von 50 % bei t = 30 mm erreicht. In ähnlicher Weise wird eine Schallabsorption von 95,55 % bei 850 Hz, 1150 Hz, 1100 Hz und 1200 Hz mit einer relativen Bandbreite (α > 0,5) von 50 %, 30 %, 29 % und 27,6 % erhalten, wenn die Dicke „t“ = 24 wird mm, 14 mm, 12 mm bzw. 10 mm.

Wir haben auch die Auswirkung der Kreuzporositätsvariation auf die Breitband-Schallabsorptionsspektren untersucht. Im ersten Beispiel A1 haben wir eine Geometrie erstellt, die d1 = 0,3 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 7,07 % und d2 = 0,4 mm, \({\varnothing }_{2}\ ) = 12,56 %. In ähnlicher Weise werden in der zweiten Probe A2 die geometrischen Parameter auf d1 = 0,5 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 19,63 % und d2 = 0,6 mm, \({\varnothing }_{2} geändert. \) = 28,26 %, in der dritten Probe A3 sind die Parameter d1 = 0,7 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 38,46 % und d2 = 0,8 mm, \({\varnothing }_{2} \) = 50,24 %, und in der vierten Probe, A4, werden die Parameter auf d1 = 0,9 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 63,59 % und d2 = 1 mm, \({\varnothing }_{2}\) = 78,5 % bzw. Weitere vier Proben mit unterschiedlicher Porositätskombination (A5 bis A8) mit fraktalem Kern wurden untersucht und ihr akustisches Verhalten ist in Abb. 3c dargestellt.

Die Proben werden mit einer festen fraktalen Dicke t = 20 mm untersucht. Das Beispiel „A1“ zeigt die maximale Schallabsorptionsspitze (91,2 %) bei 950 Hz mit einer relativen Bandbreite von 58 %. In ähnlicher Weise erhalten wir für die Proben A2 und A3 ein ähnliches Verhalten, obwohl sich die Resonanzfrequenz mit zunehmendem Kreuzporositätsverhältnis nach rechts verschiebt, wie in Abb. 3b gezeigt. Die Probe A4 zeigt einen relativ niedrigeren Wert von 65 % Absorption bei maximaler Perforation (Details siehe Tabelle 1). Die beiden Proben A1 und A5 zeigen die höhere relative Bandbreite der Schallabsorption mit einer maximalen Schallabsorption von 91 % und 95 %. So können wir die neuartigen Schallabsorber mit einer Kombination unterschiedlicher Querperforationsdurchmesser (≤ 1 mm) in jeder Elementarzelle abstimmen. Der Kürze halber haben wir hier nur acht Kombinationen gezeigt, wie in Abb. 3b, c gezeigt.

Um die relative Absorptionsbandbreite zu erweitern, haben wir zwei Elementarzellen mit unterschiedlichen Kreuzporositäten weiter in einen Resonator integriert, wie in Abb. 4b dargestellt. Einheit 1 und Einheit 2 haben die gleiche Dicke und die gleichen fraktalen Kerne, aber unterschiedliche obere CMPP-Geometrien mit den Perforationsdurchmessern d1, d2 von Einheit 1 und d3 und d4 für Einheit 2. Wir haben auch einen Kern untersucht, der ein Paar in CMPP integrierte Elementarzellen enthält und entwickelte sechs Proben S1, S2, S3, S4, S5 und S6 mit unterschiedlichen geometrischen Parametern mit verschiedenen Kombinationen von Perforationsdurchmessern (d1, d2 und d3, d4) und Porositätsverhältnissen (\({\varphi }_{1}\) , \({\varphi }_{2}\), \({\varphi }_{3}\) und \({\varphi }_{4})\) (Details in Tabelle 2).

Zweielementige Zellen mit unterschiedlicher Querperforation. (a) Schallabsorptionskoeffizient kombinierter Zwei-Elementarzellen mit unterschiedlicher Kreuzporosität. (b) Draufsicht auf die Proben von Zwei-Elementar-Zellen. Mit freundlicher Genehmigung (ANSYS 17.045 und MATLAB R2016a46).

Probe S1 zeigt einen höheren Schallabsorptionskoeffizienten (92 %) bei 1000 Hz und 60 % relativer Bandbreite, Probe S2 hat einen Absorptionskoeffizienten von 76 % mit einer Schallabsorptionsbandbreite von etwa einer Oktave und einer Dicke von 20 mm, wie in Abb. 4a dargestellt. Alle Proben zeigen eine breitere relative Schallabsorptionsbandbreite im Bereich von 39–76 % und der hier gezeigte Ansatz zeigt die Möglichkeit, die Schallabsorptionsbandbreite an die Anforderungen anzupassen, indem die richtige Kombination des Kerns mit verschiedenen CMPP-Geometrien sorgfältig berücksichtigt wird.

Wir haben außerdem vier verschiedene Elementarzellen integriert, die in Abb. 5b dargestellt sind, um eine breitere Schallabsorptionsreaktion aus diesen Geometrien zu erzielen. Die Porosität der Kreuz-MPPs wird numerisch optimiert, um geeignete Kombinationen zu erhalten und eine maximale Schallabsorptionsbandbreite zu erreichen. Die Perforationsmaße betragen d1 = 0,3 mm, d2 = 0,4 mm, d3 = 0,5 mm, d4 = 0,6 mm, d5 = 0,7 mm, d6 = 0,8 mm, d7 = 0,9 mm und d8 = 1 mm.

Vierelementige Zellen mit unterschiedlicher Querperforation. (a) Schallabsorptionskoeffizient kombinierter Viererzellen mit unterschiedlicher Kreuzporosität. (b) Draufsicht auf die Proben von Zellen mit vier Einheiten. Mit freundlicher Genehmigung (ANSYS 17.045 und MATLAB R2016a46).

Wie aus Abb. 5a hervorgeht, weist die Schallabsorptionsbandbreite von 800 bis 1400 Hz einen Absorptionskoeffizienten von mehr als 80 % und eine durchschnittliche relative Bandbreite von 61 % auf.

Effektive und effiziente Schalldämpfung erfordert eine begrenzte Dicke, ein geringes Gewicht und eine perfekte Schallabsorptionsleistung bei Breitbandfrequenzen, insbesondere im unteren Frequenzbereich. Wir haben eine neuartige Klasse von kreuzmikroperforierten Hybrid-Akustik-Metamaterialien mit Helmholtz-Fraktalkernen vorgeschlagen, die über eine hervorragende Schallabsorption über einen breitbandigen Niederfrequenzbereich mit hervorragender Abstimmbarkeit verfügen. Mithilfe elektrischer Analogiemethoden wird die äquivalente Impedanz zur Schallausbreitung innerhalb des fraktalen Kerns in Kombination mit dem klassischen verbesserten Maa-Modell25 für die CMPPs bewertet. Wir haben einen theoretischen Ansatz zur Berechnung des äquivalenten Schallabsorptionskoeffizienten für eine Reihe geometrischer Kombinationen entwickelt. Diese Theorie wird dann durch einen numerischen Ansatz (FEM) sowie experimentell validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass neuartige Schallabsorber mit einer Dicke von 20 mm eine nahezu perfekte Absorption um 1000 Hz mit einer breitbandigen Absorptionsbandbreite erreichen können. Mit einer einzelnen Elementarzelle wurde ein Schallabsorptionskoeffizient von etwa 1 Oktavband > 0,5 erreicht, und im Frequenzbereich von 600–1100 Hz wurden mehr als 0,8 erreicht. Mit einer integrierten Konfiguration aus zwei Elementarzellen wurde eine maximale relative Schallabsorptionsbandbreite von 76 % und mit einer Kombination aus vier Elementarzellen von 61 % erreicht. Durch die Integration der Elementarzellen wurde der Schallabsorptionsgrad erhöht.

Der Schallabsorptionskoeffizient von CMPP wird mit ANSYS 17.044 mit seinem Akustikmodul ermittelt. Wir haben uns dem Problem genähert, indem wir zunächst die MPPs in starre poröse Materialien umgewandelt und ein äquivalentes Fluidmodell in der numerischen Analyse einer FEM-Simulation verwendet haben, um die endgültige Schätzung zu erhalten (Abb. 6). Das äquivalente Fluid-Cad-Modell von CMPPs, wie in Abb. 7b dargestellt.

Äquivalente Fluidmodellkonvertierung von MPP in starre poröse Materialien unter Verwendung der Parameter Ø, σ, η, Λ und Λʹ.

FEM-Simulationsaufbau zur Analyse des Schallabsorptionskoeffizienten. (a) Simulationsaufbau. (b) Äquivalentes Flüssigkeitsmodell der vorgeschlagenen akustischen Metamaterialien für CMPP-Fraktale. Mit freundlicher Genehmigung (ANSYS 17.045).

Das äquivalente Fluidmodell wird mit den Parametern definiert, die durch die Gleichungen berechnet werden können. (9) bis (11). Diese berechneten Werte wurden in FEM-Simulationen verwendet, wie in Abb. 7 unten dargestellt.

wobei \(\tau\) die dynamische Viskosität und \(d\) der Durchmesser der Perforation ist

Dabei ist \(r\) der Radius der Perforation und t die Dicke des CMPP.

Das in Abb. 7a gezeigte 3D-Modell der akustischen CMPP-Metamaterialien wurde im DesignModeler von ANSYS 17.045 erstellt. Normalerweise wird eine ebene Welle mit Einheitsamplitude angelegt, und an allen Wänden der Grenzfläche zwischen Luft und Oberfläche in den unterirdischen Ebenen der Struktur werden harte Randbedingungen angewendet.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Die FEM-Simulationen wurden mit ANSYS 17 (Academic)45 durchgeführt und für die Darstellung des gesamten Diagramms und die theoretische Kodierung wurde MATLAB (R2016a)46 (Lizenznr. 40765629) verwendet. Der Code ist auf begründete Anfrage unter ([email protected]) erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Die Finanzierung erfolgte durch Boeing International Corporation India Private Limited (Fördernummer BOEING/ME/2016081).

Abteilung für Design, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur, Uttar Pradesh, 208016, Indien

Sanjeet Kumar Singh und Shantanu Bhattacharya

Mikrosystemfabrikationslabor, Abteilung für Maschinenbau, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur, Uttar Pradesh, 208016, Indien

Shantanu Bhattacharya

Boeing International Corporation India Private Limited, RMZ Infinity, Tower D, 5. Stock, Old Madras Road, Bengaluru, Karnataka, 560001, Indien

Om Prakash

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SKS: Entwarf die Studie, führte die Experimente durch, analysierte die Daten, trug zur theoretischen Ableitung bei, führte numerische Analysen durch und verfasste gemeinsam mit OP und SBOP die Manuskripte: Bereitstellung technischer Anleitung zur Erfüllung der Projektziele und Bereitstellung finanzieller Unterstützung bei der Durchführung von Experimenten und Durchsicht des fertigen Manuskripts. SB: Konzipierte die zentrale Idee fraktaler Metastrukturen, bot Anleitung im Entscheidungsprozess während der iterativen Designanalyse und des Experimentierens, stellte infrastrukturelle Unterstützung, wertvolle intellektuelle Erkenntnisse und die Fertigstellung des Manuskripts bereit. Alle Arbeiten wurden im Microsystem Fabrication Lab, IIT Kanpur, durchgeführt.

Korrespondenz mit Shantanu Bhattacharya.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Singh, SK, Prakash, O. & Bhattacharya, S. Hybride fraktale akustische Metamaterialien für Niederfrequenzschallabsorber basierend auf einer kreuzgemischten mikroperforierten Platte, die über dem Hohlraum der fraktalen Struktur montiert ist. Sci Rep 12, 20444 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24621-8

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Eingegangen: 23. April 2022

Angenommen: 17. November 2022

Veröffentlicht: 28. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24621-8

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