多孔材料內(nèi)部充滿狹小的空隙（圖1），聲音在其中傳播引起空氣分子的振動，通過狹小空隙中空氣的粘滯效應(yīng)可以大幅度將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，達到高效、寬頻吸聲的目的。多孔材料具備吸聲效果優(yōu)異、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，是廳堂設(shè)計、軌道交通以及制造業(yè)中常用的吸聲材料。
在使用多孔材料構(gòu)造吸聲體時，為了調(diào)節(jié)吸聲體表面聲阻抗，以保證聲波能更“順暢”地進入吸聲體內(nèi)實現(xiàn)能量的充分耗散，通常會將吸聲體的外形設(shè)計成“尖劈”等形狀。那么準確預(yù)測具有不同高度、寬度的“消聲尖劈”的吸聲系數(shù)在設(shè)計吸聲體的幾何外形和結(jié)構(gòu)尺寸時具有重要意義。
圖1 多孔材料和消聲尖劈
最早，尋找“消聲尖劈”合適的幾何尺寸只能通過實驗測量的方法。研究人員需要制作大量不同幾何外形、不同結(jié)構(gòu)尺寸的“尖劈”樣件，并逐個測試樣件的吸聲系數(shù)，在大量測試數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律，尋找最佳的“尖劈”形狀和尺寸。實驗測試的方法無疑是對人力、物力、財力的巨大浪費。
近年來，研究人員可以通過有限元、邊界元、時域有限差分等方法對“消聲尖劈”進行數(shù)值仿真。這些方法需要網(wǎng)格劃分，涉及較高的專業(yè)知識；并且三維計算量大，所需計算資源要求高。
針對準確預(yù)測“消聲尖劈”吸聲系數(shù)的需求，中科院聲學所楊軍研究員、賈晗研究員的研究團隊提出了“消聲尖劈”的層狀嚴格耦合波分析方法。“消聲尖劈”實際使用情況下，通常是進行周期鋪設(shè)的，所以研究人員將周期結(jié)構(gòu)的計算方法引入“尖劈”的吸聲計算中。該方法首先將周期“尖劈”分成許多薄層，使得每一層可以近似為矩形周期調(diào)制（圖2）。那么，每一層的聲傳播都可以等同為單層周期結(jié)構(gòu)中的聲傳播進行處理。然后，利用邊界連續(xù)性條件確定層間耦合關(guān)系，建立整個結(jié)構(gòu)的聲學耦合方程，以此求解周期非平整界面吸聲體的反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸聲系數(shù)。
圖2 層狀嚴格耦合波分析方法的原理示意圖
該團隊對多種不同外形和尺寸的吸聲海綿進行了理論預(yù)測、實驗測量以及有限元仿真，采用層狀嚴格耦合波分析方法計算的吸聲系數(shù)和實驗測量值、有限元仿真結(jié)果等非常接近，一致性很好，驗證了該方法的有效性和實用性。
研究團隊在該理論方法的基礎(chǔ)上，對低頻吸聲體的幾何參數(shù)進行快速掃描，并結(jié)合遺傳算法對高斯曲面吸聲體的參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的三角形和高斯疊加曲面的吸聲體在低頻段體現(xiàn)了優(yōu)異的吸聲效果，相比平面結(jié)構(gòu)的吸聲性能得到了顯著提升（圖3）。
圖3 基于層狀耦合波方法優(yōu)化的“尖劈”和高斯疊加曲面吸聲體及其吸聲系數(shù)
該研究團隊提出的層狀耦合波分析方法，可以快速實現(xiàn)對周期吸聲體的吸聲系數(shù)計算；并且能夠有效結(jié)合遺傳算法等優(yōu)化算法，對結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，在實現(xiàn)吸聲結(jié)構(gòu)的精細設(shè)計和快速優(yōu)化中具有重要應(yīng)用價值。
相關(guān)研究成果以題為“Absorption performance of nonplanar periodic structures solved by layered rigorous coupled-wave analysis”發(fā)表于期刊Mechanical Systems and Signal Processing。（作者：楊玉真）
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0888327021010232
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