Metamateriales acústicos fractales híbridos para baja

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 20444 (2022) Citar este artículo

1642 Accesos

1 Altmetric

Detalles de métricas

El trabajo propuesto enumera metamateriales acústicos híbridos, delgados, de sublongitud de onda profunda (2 cm) que actúan como un tipo completamente nuevo de absorbente de sonido, mostrando múltiples efectos de absorción de sonido de banda ancha. Basado en la distribución fractal de las estructuras del resonador de Helmholtz (HR), integrado con un diseño cuidadoso y un panel microperforado cruzado híbrido (CMPP) que demuestra un comportamiento de absorción de sonido de baja frecuencia de banda ancha de aproximadamente una octava. Para determinar el coeficiente de absorción acústica de este novedoso tipo de metamaterial se utilizan tanto el modelo de impedancia equivalente para la cavidad fractal como el modelo de Maa microperforado para CMPP. Validamos estos nuevos diseños de materiales a través de datos numéricos, teóricos y experimentales. Se demuestra que el diseño del material posee una absorción de sonido superior que se debe principalmente a las pérdidas por fricción de la estructura impuestas a la energía de las ondas acústicas. Los picos de diferentes fenómenos de absorción de sonido muestran capacidad de sintonización ajustando los parámetros geométricos de las estructuras fractales como el grosor de la cavidad 't', el diámetro de perforación transversal del panel microperforado, etc. Las estructuras fractales y su panel de perforación están optimizados dimensionalmente para una máxima absorción de sonido de banda ancha. que se estima numéricamente. Este nuevo tipo de cavidad fractal integrada con metamaterial acústico CMPP tiene muchas aplicaciones como en múltiples materiales funcionales con comportamiento de absorción de banda ancha, etc.

Se pueden encontrar numerosos usos para el absorbente de sonido de baja frecuencia de banda ancha gruesa de sublongitud de onda profunda en el encubrimiento acústico y la reducción de ruido. Un metamaterial acústico es un excelente candidato para enfrentar todos los desafíos con un diseño cuidadoso de estructuras que pueden poseer propiedades acústicas extraordinarias como absorción de ruido de banda ancha1,2,3,4,5, aislamiento acústico6,7,8, propiedades de encubrimiento de ruido9,10, inyección acústica propiedades11, etc. Los metamateriales acústicos son bien conocidos como estructuras artificiales o hechas por el hombre que se pueden programar a través de una densidad efectiva negativa12,13, un módulo efectivo negativo14,15 y un módulo y densidad negativos simultáneos16,17,18. Los investigadores han propuesto recientemente metamateriales acústicos fractales 2D19 y metamateriales acústicos fractales laberínticos 3D20, que pueden poseer propiedades de bloqueo de sonido multibanda en el dominio de baja frecuencia. Otro aislador de sonido de baja frecuencia de banda ancha está diseñado a través de un metamaterial de tipo membrana inspirado en una telaraña21. Los investigadores pueden buscar estructuras livianas de diferentes diseños de materiales que posean una excelente absorción del sonido para resolver los desafíos relacionados con el control del ruido22,23. Además, durante mucho tiempo ha sido un desafío obtener absorción de sonido de banda ancha mientras se mantiene el peso delgado y liviano como propiedades estructurales. El diseño de metamateriales, como estructuras de múltiples bobinas24, puede lograr una absorción perfecta a una frecuencia extremadamente baja de 50 Hz con un grosor de 1,3, pero no puede sintonizarse una vez que se fabrica. Los investigadores también probaron paneles microperforados (MPP)25,26,27,28 convencionales, con cavidad posterior, metamateriales basados ​​en resonadores de Helmholtz integrados en el cuello de Cascade29, MPP con resonador de Helmholtz integrado en el cuello30, y lograron con éxito un buen nivel general de absorción acústica. a bajas frecuencias. Sin embargo, el espesor de la cavidad trasera suele ser superior a 5 cm para obtener un comportamiento de absorción acústica de banda ancha. Los metamateriales de membrana ultrafina (MM) 31,32 son un muy buen candidato para el comportamiento de absorción de sonido de banda ancha, pero el problema en MM es el efecto de aflojamiento de la membrana que puede ocurrir a su debido tiempo después de un uso repetido.

Este artículo ha desarrollado un nuevo tipo de diseño de hoja frontal microperforada sintonizable (con un diámetro de perforación ≤ 1 mm) respaldado por geometría fractal como se muestra en la Fig. 1, de dimensiones de sublongitud de onda que demuestran un excelente comportamiento de absorción de sonido de banda ancha. El grosor de este diseño de metamaterial clásico es inferior a 2 cm y se puede programar/ajustar fácilmente según las necesidades industriales y el alcance en diferentes campos.

( a ) Esquema del panel de metamateriales híbridos de estructura fractal perforada en cruz compuesto por una hoja frontal superior microperforada en cruz, una estructura de fractales con esvástica de Helmholtz como núcleo y una placa posterior como hoja frontal inferior. (b) Una celda unitaria, pared lateral cortada verticalmente para ver los detalles del interior. (c) CMPP con diferentes tamaños de perforación en la dirección uno que tiene un diámetro de perforación d1 y la dirección dos es d2 y la cavidad de los fractales posteriores. Cortesía (ANSYS 17.045).

Se aplica la analogía del circuito serie-paralelo para obtener un método de impedancia equivalente mediante el cual se propone una teoría para calcular el coeficiente de absorción acústica que se establece para esta nueva clase de diseños fractales. Este trabajo también valida experimentalmente y compara con el modelo teórico y un modelo de elementos finitos. La absorción acústica perfecta se logra alrededor de 1000 Hz, junto con la absorción acústica de banda ancha a partir de 400 a 1600 Hz, cuando el grosor de estos metamateriales únicos es de unos 20 mm. Se ha encontrado una absorción de sonido casi perfecta alrededor de 1000 Hz, junto con un ancho de banda de absorción relativo de una octava a partir de 600 Hz, cuando el espesor de los metamateriales es de solo 20 mm con la integración de celdas de dos unidades. También hemos integrado las celdas de cuatro unidades para lograr una absorción de sonido de banda ancha y logramos con éxito un ancho de banda relativo un 61 % más alto y un coeficiente de absorción de sonido superior al 80 %.

El metamaterial acústico propuesto tiene dos láminas frontales y un núcleo de estructura fractal con esvástica, como se muestra en la Fig. 1. El modelo CAD de la metaestructura propuesta está diseñado en Design Modeler de ANSYS 17.045. La hoja frontal superior consiste en una perforación transversal que tiene un diámetro de perforación uniforme en la dirección '1' (d1) y la dirección '2' como (d2), en un panel microperforado (CMPP). Los exclusivos resonadores de Helmholtz están distribuidos fractalmente y actúan como un núcleo de cavidad acústica con la lámina frontal inferior en forma de placa de respaldo rígida. El núcleo fractal está diseñado en base a nuevas formas fractales y contiene múltiples resonadores Helmholtz a lo largo de los brazos de la forma fractal. En las ramas del primer nivel, la forma de la unidad (resonador de Helmholtz de ramificación lateral) se gira \(90^\circ ,180^\circ \, \mathrm{y} \, 270^\circ\) respectivamente para crear cuatro brazos de la estructura fractal e interconectados en forma de encrucijada. A medida que el brazo Helmholtz itera 'n' veces a una geometría reducida conectada al brazo base (resonadores Helmholtz) cada 90°. Ángulo de rotación Se utiliza un factor de escala de 0,6 para cada iteración. La metaestructura acústica final hasta la que investigamos corresponde a un valor "n" de 3 y la estructura central final que se muestra en la Fig. 1c.

En general, el coeficiente de absorción de cualquier metamaterial acústico con un panel de respaldo rígido se puede estimar a través de su impedancia como

donde, \({z}_{s}\) se conoce como la impedancia superficial del absorbente acústico. \({z}_{0}={\rho }_{0}{c}_{0}\) es la impedancia característica donde \({\rho }_{0}\) y \({c} _ {0}\) son la densidad de masa y la velocidad del sonido en el aire, respectivamente. La impedancia superficial del CMPP fractal propuesto se ha calculado como:

donde, \({z}_{Mp}\) y \({z}_{fc}\) son la impedancia acústica del CMPP y la cavidad que contiene la estructura fractal, respectivamente.

La impedancia del resonador de rama lateral Zr en X1, como se muestra en la Fig. 1b en Materiales complementarios, se expresa como 33,34,35

donde Zc = \(\rho c/{s}_{c}\) representa la impedancia de la cavidad de Helmholtz y Zh representa la impedancia del cuello de los resonadores como sugieren Seo et al.33. \(l\) es la longitud del cuello, \({s}_{c}\) es el área de la sección transversal de la cavidad, \(h\) es la altura de la cavidad. aquí \(k=2\pi f/c\) es el número de onda.

'Sh' es el área de la sección transversal de la región del cuello. Primero calculamos la impedancia equivalente de la cavidad de los fractales \({z}_{fc}\) a través de una analogía eléctrica (consulte el Material complementario para obtener más detalles).

La impedancia de la placa microperforada se puede calcular mediante el modelo de Maa36,37

dónde

y

donde \(\varnothing =\) Porosidad, \(\eta\) = viscosidad dinámica, \(\alpha\) = constante de perforación, d = diámetro del agujero, t = espesor de la placa perforada, \(x=d\ sqrt{\frac{\omega {\rho }_{0}}{4 \eta }}.\)

Ahora podemos calcular la impedancia total de la placa perforada transversal de una sola unidad como

donde \(zm1\) es la impedancia de la CMPP en la dirección 1 y \(zm2\) es la impedancia de la perforación en la dirección 2 como se muestra en la Fig. 1c.

Por lo tanto, estamos habilitados para poner las Ecs. (8) y (13) (Material complementario) como entradas a la ecuación. (2) y, por lo tanto, podemos calcular teóricamente el coeficiente de absorción de sonido de los metamateriales acústicos fractales microperforados cruzados con la ayuda de la ecuación. (1). El espectro del coeficiente de absorción del modelo teórico se obtiene utilizando MATLAB (R2016a)46.

La Figura 2 muestra la absorción de sonido de banda ancha en este caso. Como podemos observar claramente que el pico inicial del coeficiente de absorción del resultado experimental no se ve en los valores de simulación FEM, y de igual forma el último pico no se ve en el modelo teórico. Aunque los resultados experimentales, teóricos y numéricos tienen buena consistencia en términos de la amplitud en la absorción máxima, etc., en los modelos teóricos se ha utilizado el principio de superposición lineal como se muestra en la Ec. (8). Por lo tanto, el efecto de acoplamiento no lineal de la perforación y la cavidad de las dos señales acústicas claramente truncadas que pasan desde los dos orificios de diámetro diferente en la placa de cubierta no se considera al determinar el espectro teórico. En simulaciones numéricas, se ha asumido que el CMPP es equivalente a un cuerpo rígido poroso, y las pérdidas visco-térmicas a través del núcleo fractal se han considerado insignificantes38,39,40,41. Por lo tanto, el primer pico de absorción, como se observa claramente en los datos experimentales, así como en la predicción teórica, no aparece en los datos de simulación. También observó que el ancho de banda de frecuencia experimental es más amplio que la predicción numérica y teórica debido a la pérdida adicional de energía acústica alrededor de la superficie rugosa creada por la impresión 3D42,43. Un pico de absorción casi perfecto ocurre alrededor de 1000 Hz con un ancho de banda relativo del 50 % para los parámetros d1 = 0,5 mm y d2 = 1 mm y tiene una porosidad \({\mathrm{\o }}_{1}\) = 4,91 % y \({\mathrm{\o }}_{2}\) = 19,63 %, respectivamente. Aquí, el ancho de banda relativo se calcula como la relación entre el ancho total a la mitad del máximo del coeficiente de absorción y la frecuencia de resonancia. Hay dos picos de alta absorción correspondientes a un coeficiente de absorción > 0,8 a 700 Hz y un coeficiente de absorción > 0,95 a 1000 Hz. Las pequeñas diferencias en los resultados del FEM y las predicciones teóricas se deben a que se despreció la disipación térmica en la región de los disparos y se consideró solo la disipación de energía viscosa.

Coeficiente de absorción de sonido de CMPP predicho por el método analítico, modelo FEM y resultados experimentales. Cortesía (MATLAB R2016a)46.

Comenzamos variando el grosor del metamaterial acústico fractal CMPP para lograr diferentes valores de absorción de sonido en el rango de frecuencia más bajo. Dados los valores específicos del parámetro de perforación transversal fijo (d1, d2) y la porosidad de \({\varnothing }_{1}\) y \({\varnothing }_{2}\) Grosor variable del núcleo fractal de 't', el El ancho de banda de absorción de sonido se obtiene a una frecuencia particular, como se muestra en la Fig. 3a.

Coeficiente de absorción acústica de CMPP con diferentes parámetros acústicos. (a) Espesor del núcleo de los fractales. ( b, c ) Porosidad de CMPP. Cortesía (MATLAB R2016a)46.

A medida que aumenta el espesor 't' del núcleo fractal, la curva de absorción del sonido cambia gradualmente de alta a baja frecuencia en parámetros de perforación fijos d1 = 0,5 mm y d2 = 1 mm, respectivamente. Se obtiene un pico de absorción de sonido casi perfecto (96,66 %) a 800 Hz con un ancho de banda de absorción relativo del 50 % cuando t = 30 mm. De manera similar, se obtiene un 95,55 % de absorción acústica a 850 Hz, 1150 Hz, 1100 Hz y 1200 Hz con un ancho de banda relativo (α > 0,5) de 50 %, 30 %, 29 % y 27,6 % a medida que el espesor “t” se vuelve = 24 mm, 14 mm, 12 mm y 10 mm respectivamente.

También hemos investigado el efecto de la variación de la porosidad cruzada en los espectros de absorción de sonido de banda ancha. En el primer ejemplo, A1 hemos creado una geometría correspondiente a d1 = 0,3 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 7,07 % y d2 = 0,4 mm, \({\varnothing }_{2}\ ) = 12,56%. De manera similar, en la segunda muestra A2, los parámetros geométricos se cambian a d1 = 0,5 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 19,63 % y d2 = 0,6 mm, \({\varnothing }_{2} \) = 28,26 %, en la tercera muestra A3 los parámetros son d1 = 0,7 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 38,46 % y d2 = 0,8 mm, \({\varnothing }_{2} \) = 50,24 %, y en la cuarta muestra, A4, se cambian los parámetros a d1 = 0,9 mm, \({\varnothing }_{1}\) = 63,59 % y d2 = 1 mm, \({\varnothing }_{2}\) = 78,5% respectivamente. Además, se han investigado otras cuatro muestras con diferente combinación de porosidad (A5 a A8) con núcleo de fractales y su comportamiento acústico como se muestra en la Fig. 3c.

Las muestras se investigan con un espesor fractal fijo t = 20 mm. La muestra 'A1' muestra que el pico máximo de absorción de sonido (91,2 %) está a 950 Hz con un ancho de banda relativo del 58 %. De manera similar, para la muestra A2 y A3 obtenemos un comportamiento similar, aunque a medida que aumenta la relación de porosidad cruzada, la frecuencia de resonancia se desplaza hacia la derecha, como se muestra en la Fig. 3b. La muestra A4 muestra un valor relativamente más bajo de 65% de absorción en la perforación máxima (detalles mostrados en la Tabla 1). Las dos muestras A1 y A5 muestran el mayor ancho de banda relativo de absorción de sonido con una absorción de sonido máxima de 91% y 95%. Por lo tanto, podemos sintonizar los novedosos absorbentes de sonido con una combinación de diferentes diámetros de perforación transversal (≤ 1 mm) en cada celda unitaria. Para abreviar, solo hemos mostrado ocho combinaciones aquí como se muestra en la Fig. 3b, c.

Para expandir el ancho de banda de absorción relativo, hemos integrado aún más celdas de dos unidades con diferentes porosidades cruzadas en un resonador como se muestra en la Fig. 4b. La unidad 1 y la unidad 2 tienen el mismo espesor y núcleos fractales pero con diferentes geometrías superiores de CMPP que tienen un diámetro de perforación d1, d2 de la unidad 1 y d3 y d4 para la unidad 2. También hemos investigado un núcleo que contiene un par de celdas unitarias integradas a CMPP y desarrolló seis muestras S1, S2, S3, S4, S5 y S6 con diferentes parámetros geométricos que tienen varias combinaciones de diámetros de perforación (d1, d2 y d3, d4) y relaciones de porosidad (\({\varphi }_{1}\) , \({\varphi }_{2}\), \({\varphi }_{3}\) y \({\varphi }_{4})\) (Detalles en la Tabla 2).

Células de dos unidades con diferente perforación transversal. ( a ) Coeficiente de absorción de sonido de celdas combinadas de dos unidades con diferente porosidad cruzada. ( b ) Vista superior de las muestras de celdas de dos unidades. Cortesía (ANSYS 17.045 y MATLAB R2016a46).

La muestra S1 muestra un coeficiente de absorción de sonido más alto (92 %) a 1000 Hz y un ancho de banda relativo del 60 %, la muestra S2 tiene un coeficiente de absorción del 76 % con un ancho de banda de absorción de sonido de aproximadamente una octava, un espesor de 20 mm como se muestra en la Fig. 4a. Todas las muestras muestran un ancho de banda de absorción de sonido relativo más amplio dentro del rango de 39 a 76 % y el enfoque que se muestra aquí demuestra la capacidad de personalizar el ancho de banda de absorción de sonido según los requisitos al considerar cuidadosamente la combinación correcta del núcleo con varias geometrías de CMPP.

Hemos integrado aún más 4 celdas unitarias diferentes que se muestran en la Fig. 5b, para obtener una respuesta de absorción de sonido más amplia de estas geometrías. La porosidad de los MPP cruzados se optimiza numéricamente para obtener combinaciones adecuadas para lograr un ancho de banda de absorción de sonido maximizado. Las dimensiones de la perforación son 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 y d8 = 1 mm.

Celdas de cuatro unidades con diferente perforación transversal. ( a ) Coeficiente de absorción de sonido de celdas combinadas de cuatro unidades con diferente porosidad cruzada. ( b ) Vista superior de las muestras de celdas de cuatro unidades. Cortesía (ANSYS 17.045 y MATLAB R2016a46).

Como podemos ver en la Fig. 5a, el ancho de banda de absorción de sonido de 800 a 1400 Hz demuestra un coeficiente de absorción superior al 80% y el ancho de banda relativo promedio del 61%.

La atenuación eficaz y eficiente del ruido requiere un espesor limitado, un peso ligero y un rendimiento de absorción de sonido perfecto en frecuencias de banda ancha, especialmente en el rango de frecuencias más bajas. Hemos propuesto una clase novedosa de metamaterial acústico híbrido microperforado cruzado con núcleos fractales de Helmholtz que posee una excelente absorción de sonido en un rango de baja frecuencia de banda ancha con excelente capacidad de sintonización. Utilizando métodos de analogía eléctrica, se evalúa la impedancia equivalente a la propagación del sonido dentro del núcleo fractal en combinación con el clásico Maa Model25 mejorado, para los CMPP. Hemos desarrollado un enfoque teórico para calcular el coeficiente de absorción de sonido equivalente para un conjunto de combinaciones geométricas. Luego, esta teoría se valida a través de un enfoque numérico (FEM), así como experimentalmente. Los resultados muestran que los novedosos absorbentes de sonido de 20 mm de espesor pueden lograr una absorción casi perfecta alrededor de 1000 Hz, con un ancho de banda de absorción de banda ancha. Se ha logrado aproximadamente un coeficiente de absorción de sonido de banda de 1 octava > 0,5 con una sola celda unitaria y se ha logrado más de 0,8 dentro del rango de frecuencia de 600 a 1100 Hz. Se ha logrado un ancho de banda de absorción de sonido relativo máximo del 76 % con una configuración integrada de dos celdas unitarias y del 61 % con una combinación de 4 celdas unitarias. El coeficiente de absorción acústica se ha incrementado integrando las celdas unitarias.

El coeficiente de absorción acústica de CMPP se realiza mediante ANSYS 17.044, con su módulo acústico. Hemos abordado el problema convirtiendo primero los MPP en materiales porosos rígidos y utilizando el modelo de fluido equivalente en la simulación FEM de análisis numérico para obtener la estimación final (Fig. 6). El modelo cad de fluido equivalente de CMPP como se muestra en la Fig. 7b.

Conversión de modelo de fluido equivalente de MPP a materiales porosos rígidos utilizando los parámetros de Ø, σ, η, Λ y Λʹ.

Configuración de simulación FEM para analizar el coeficiente de absorción de sonido. (a) Configuración de la simulación. ( b ) Modelo de fluido equivalente de metamateriales acústicos de fractales CMPP propuestos. Cortesía (ANSYS 17.045).

El modelo de fluido equivalente se define con los parámetros que se pueden calcular mediante las Ecs. (9) a (11). Estos valores calculados se han utilizado en simulaciones FEM como se muestra en la Fig. 7 a continuación.

donde \(\tau\) es la viscosidad dinámica y \(d\) es el diámetro de la perforación

donde \(r\) es el radio de la perforación y t es el espesor del CMPP.

El modelo 3D de metamateriales acústicos CMPP que se muestra en la Fig. 7a creado en DesignModeler de ANSYS 17.045. Normalmente se aplica una onda plana con amplitud unitaria y se aplican condiciones de contorno duras en todas las paredes de la interfaz entre el aire y la superficie en los niveles subterráneos de la estructura.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Las simulaciones FEM se realizaron utilizando ANSYS 17 (Academic)45 y para el trazado de todo el gráfico y la codificación teórica se utilizó MATLAB (R2016a)46 (Nº de licencia 40765629). El código está disponible en ([email protected]) previa solicitud razonable.

Christensen, J. & Willatzen, M. Propagación de ondas acústicas y efectos estocásticos en absorbentes de metamateriales. aplicación física Letón. 105, 043508 (2014).

Artículo Google Académico

Duan, Y. et al. Requisitos teóricos para la absorción perfecta de ondas acústicas de banda ancha por metapelículas elásticas ultrafinas. ciencia Rep. 5, 1–9 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Christensen, J. et al. Extraordinaria absorción del sonido en cristales lamelares porosos. ciencia Rep. 4, 1–5 (2014).

MathSciNet Google Académico

Mei, J. et al. Metamateriales acústicos oscuros como súper absorbentes para sonido de baja frecuencia. Nat. común 3, 756–757 (2012).

Artículo PubMed Google Académico

Bhattacharya, S. et al. Metaestructura estructurada con chakra Ashok como un absorbente de sonido perfecto para sonido de baja frecuencia de banda ancha. aplicación física Letón. 117, 191901 (2020).

Artículo CAS Google Académico

D'Aguanno, G. et al. Metamaterial de banda ancha para el emparejamiento no resonante de ondas acústicas. ciencia Rep. 2, 1–5 (2012).

Artículo Google Académico

Ventilador, L. et al. Un metamaterial acústico compuesto por placas perforadas recubiertas de membrana multicapa para el aislamiento acústico de baja frecuencia. aplicación física Letón. 106, 151908 (2015).

Artículo Google Académico

Xu, C. et al. Estudio de aislamiento acústico de baja frecuencia de banda ancha de metamateriales acústicos de resonadores multicanal Estudio de aislamiento acústico de baja frecuencia de banda ancha de metamateriales acústicos de resonadores multicanal. AIP Avanzado. 11, 045321 (2021).

Artículo Google Académico

Basiri, Z., Fakheri, MH, Abdolali, A. & Shen, C. Dispositivos de encubrimiento acústico no cerrado habilitados por transformaciones de coordenadas lineales secuenciales de pasos. ciencia Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81331-3 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Xue, Y. & Zhang, X. Capa acústica autoadaptativa habilitada por metamateriales mecánicos blandos. Extrem. mecánico Letón. 46, 101347 (2021).

Artículo Google Académico

Lu, C. et al. Lente de Luneburg generalizada de metamaterial GRIN para chorro acústico ultralargo. aplicación física Letón. 118(14), 144103 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Hyeon, S., Mahn, C., Mun, Y., Guo, Z. & Koo, C. Metamaterial acústico con densidad negativa. física Letón. A 373, 4464–4469 (2009).

Artículo Google Académico

Acceso, O. Mecanismo de atenuación de ondas en un metamaterial acústico con densidad de masa efectiva negativa. Nuevo J. Phys. https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/1/013003 (2009).

Artículo Google Académico

Fang, N., Xi, D., Xu, J., Ambati, M. y Srituravanich, W. Metamateriales ultrasónicos con módulo negativo. Nat. Mate. Rev. 5, 452 (2006).

Artículo PubMed CAS Google Académico

Garc, VM Metamaterial acústico cuasi-bidimensional con módulo volumétrico negativo. física Rev. B 85, ​​184102 (2012).

Artículo Google Académico

Lee, SH, Park, CM, Seo, YM, Wang, ZG y Kim, CK Medio acústico compuesto con densidad y módulo simultáneamente negativos. física Rev. Lett. 104, 054301 (2010).

Artículo PubMed Google Académico

Kousis, I. & Pisello, AL Metamateriales acústicos doblemente negativos basados ​​en capas casi bidimensionales similares a fluidos. Nuevo J. Phys. https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/10/103052 (2012).

Artículo Google Académico

Kumar, S., Bhushan, P., Prakash, O. y Bhattacharya, S. Metaestructura acústica negativa doble para la atenuación de las emisiones acústicas. aplicación física Letón. 112, 101905 (2018).

Artículo Google Académico

Singh, SK, Prakash, O. y Bhattacharya, S. Nuevos metamateriales acústicos fractales (FAM) para una absorción casi perfecta de banda estrecha múltiple. Aplicación J. física 132(3), 035105 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Hombre, X. et al. Ingeniería de metamateriales acústicos fractales laberínticos tridimensionales con supresión de sonido multibanda de baja frecuencia. J. Acústica. Soc. Soy. 149, 308–319 (2021).

Artículo PubMed Google Académico

Sonido, BL et al. Acústica de tipo membrana ligera inspirada en la telaraña, 1–17 (2021).

Li, Y. et al. Características de absorción acústica de la espuma de aluminio con células esféricas. Aplicación J. física 110(11), 113525 (2011).

Artículo Google Académico

Delany, ME & Bazley, EN Propiedades acústicas de materiales absorbentes fibrosos. aplicación acústico 3(2), 105–116 (1970).

Artículo Google Académico

Phys, A., Zhu, Y. & Fan, S. Metasuperficie de absorción acústica ultrafina de baja frecuencia extrema. aplicación física Letón. 115, 173506 (2019).

Artículo Google Académico

Maa, D. Potencial del absorbente de panel microperforado. J. Acústica. Soc. Soy. 104, 2861–2866 (2014).

Artículo Google Académico

Wang, C. & Huang, L. Sobre las propiedades acústicas de la disposición paralela de múltiples absorbentes de paneles microperforados con diferentes profundidades de cavidad. J. Acústica. Soc. Soy. 130, 208 (2015).

Artículo Google Académico

Stinson, MR La propagación de ondas sonoras planas en tubos circulares estrechos y anchos, y generalización a tubos uniformes de sección transversal arbitraria. J. Acústica. Soc. Soy. 89, 550–558 (1991).

Artículo Google Académico

Sakagami, K., Nakamori, T., Morimoto, M. y Yairi, M. Absorbedores de espacio de panel microperforado de doble hoja: una teoría revisada y un análisis detallado. aplicación acústico 70, 703–709 (2009).

Artículo Google Académico

Zhou, Z., Huang, S., Li, D. y Jie Zhu, YL Modulación de impedancia de banda ancha a través de metamateriales acústicos no locales. nacional ciencia Rev. https://doi.org/10.1201/9781315366784 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Huang, S. et al. Sumidero acústico compacto de banda ancha con resonancias débiles acopladas coherentemente. ciencia Toro. 65, 373–379 (2020).

Artículo Google Académico

Xu, Q., Qiao, J., Sun, J., Zhang, G. & Li, L. Un metamaterial de membrana sin masa sintonizable para una absorción de sonido perfecta y de baja frecuencia. J. Sonido Vibración. 493, 115823 (2021).

Artículo Google Académico

Nguyen, H. et al. Un panel acústico de banda ancha basado en metamateriales tipo membrana de doble capa. aplicación física Letón. 118, 184101 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Seo, S.-H. & Kim, Y.-H. Diseño de silenciador mediante el uso de resonadores de matriz para la reducción de ruido de banda de baja frecuencia. J. Acústica. Soc. Soy. 118, 2332–2338 (2005).

Artículo Google Académico

Sullivan, JW & Crocker, MJ Análisis de resonadores de tubos concéntricos que tienen cavidades no particionadas. J. Acústica. Soc. Soy. 64, 207–215 (1978).

Artículo MATEMÁTICAS Google Académico

Sullivan, JW Un método para modelar componentes de silenciadores de tubo perforado. I. Teoría. J. Acústica. Soc. Soy. 66, 772–778 (1979).

Artículo MATEMÁTICAS Google Académico

You, A., Be, MAY & In, I. Potencial del absorbente de panel microperforado, vol. 2861 (2016).

Bolton, JS & Hou, K. Modelos de elementos finitos de paneles microperforados (Universidad de Purdue, 2009).

Google Académico

Molerón, M., Serra-Garcia, M. & Daraio, C. Efectos visco-térmicos en metamateriales acústicos: De la transmisión total a la reflexión total y la alta absorción. Nuevo J. Phys. 18, 033003 (2016).

Artículo Google Académico

Henríquez, V. C., García-Chocano, V. M. & Sánchez-Dehesa, J. Viscothermal losses in double-negative acoustic metamaterials. Phys. Rev. Appl. 8, 1–12 (2017).

Artículo Google Académico

Xiang, X. et al. Absorbedores de metamaterial ventilados ultraabiertos para aplicaciones de insonorización en entornos con flujos de aire libre. Extrem. mecánico Letón. 39, 100786 (2020).

Artículo Google Académico

Zhao, X., Liu, G., Zhang, C., Xia, D. & Lu, Z. Metamateriales acústicos fractales para la reducción del ruido del transformador. aplicación física Letón. 113, 074101 (2018).

Artículo Google Académico

Bontozoglou, V. & Papapolymerou, G. Flujo de película laminar por una pendiente ondulada. En t. J. Multiph. Flujo 23, 69–79 (1997).

Artículo MATH CAS Google Scholar

Kandlikar, SG, Schmitt, D., Carrano, AL & Taylor, JB Caracterización de los efectos de la rugosidad superficial sobre la caída de presión en flujo monofásico en minicanales. física Fluidos 17, 100606 (2005).

Artículo MATEMÁTICAS Google Académico

Howard, CQ & Cazzolato, BS y ANSYS.

ANSYS (Acústica V4), V. 17.0. www.ansys.com/en-in (ANSYS). Consultado el 20 de junio de 2020.

MATLAB (Lenguaje de Programación), V. R2016a. www.mathworks.com/products/matlab.html (MATLAB). Consultado el 11 de febrero de 2020.

Descargar referencias

La financiación fue proporcionada por Boeing International Corporation India Private Limited (Grant No. BOEING/ME/2016081).

Departamento de Diseño, Instituto Indio de Tecnología Kanpur, Kanpur, Uttar Pradesh, 208016, India

Sanjeet Kumar Singh y Shantanu Bhattacharya

Laboratorio de fabricación de microsistemas, Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto Indio de Tecnología de Kanpur, Kanpur, Uttar Pradesh, 208016, India

Shantanu Bhattacharya

Boeing International Corporation India Private Limited, RMZ Infinity, Tower D, 5th Floor, Old Madras Road, Bangalore, Karnataka, 560001, India

Om prakash

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

SKS: diseñó el estudio, realizó los experimentos, analizó los datos, contribuyó a la derivación teórica, realizó el análisis numérico y co-redactó los manuscritos con OP y SBOP: brindó orientación técnica para cumplir con los objetivos del proyecto y también brindó apoyo financiero para llevar a cabo la experimentación. y revisar el manuscrito finalizado. SB: Concibió la idea central de las metaestructuras fractales, ofreció orientación en el proceso de toma de decisiones durante el análisis y la experimentación del diseño iterativo, brindó soporte de infraestructura, conocimientos intelectuales valiosos y finalización del manuscrito. Todo el trabajo se llevó a cabo en Microsystem Fabrication Lab, IIT Kanpur.

Correspondencia a Shantanu Bhattacharya.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Singh, SK, Prakash, O. & Bhattacharya, S. Metamateriales acústicos fractales híbridos para absorbentes de sonido de baja frecuencia basados ​​en un panel microperforado mixto cruzado montado sobre la cavidad de la estructura fractal. Informe científico 12, 20444 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24621-8

Descargar cita

Recibido: 23 Abril 2022

Aceptado: 17 de noviembre de 2022

Publicado: 28 noviembre 2022

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.