通过人工声学软边界和智能优化技术提高水下的声音吸收效果

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Enhance underwater sound absorption through artificial acoustic soft boundary and intelligent optimization

　　

摘要

传统的水下吸音材料在厚度较小时，其工作频率通常在几千赫兹左右，这导致了低频吸音需求与材料薄度要求之间的技术矛盾。由于腔体超材料的耗散能力有限，即使能够将吸音频率范围调整到所需范围，也难以显著提高吸音效果。为此，我们提出了一种设计方法，该方法可以减小吸音结构的厚度并有效提升吸音性能。通过空间折叠设计，将低频吸音所需的大尺寸结构转移到极薄的平面层上，从而解决了吸音结构厚度过大的问题。接着，在超材料腔体内部的硬壁上铺设橡胶等柔软材料，形成了一种水下声学版本的人工声学软边界，以解决吸音效果不佳的问题。这种人工声学软边界的加入增强了薄层结构耗散声能的能力，显著降低了声速和反射率，并在两种不同介质的界面产生了较大的弹性应变能，使得这些结构能够实现有效的低频宽带吸音效果。实验结果表明，在引入软边界后，该结构的平均吸音系数在1–1000赫兹范围内从0.07提高到了0.6，在1–4000赫兹范围内从0.38提高到了0.76。为了进一步提高吸音效果，我们利用元启发式算法实现了吸音结构的智能优化设计。在24毫米厚度的条件下，60–1000赫兹范围内的平均吸音系数达到了0.96；在20毫米厚度的条件下，1000–4000赫兹范围内的平均吸音系数达到了0.98。