基于多亥姆霍兹单元耦合的低频宽带吸声结构研究
摘要
随着工业化进程的不断加快，生活中各种噪声现象越来越常见。其中低频噪声一直
是噪声控制领域的难点，由于其波长较长，不易衰减。亥姆霍兹共振腔由于单频吸声性
强、可低频吸声、结构简单等特点常被应用于噪声控制领域，但由于其不具有宽频吸声
性，不利于实际应用。本论文针对目前低频吸声结构较为复杂、尺度较大的问题，提出
采用长方体形亥姆霍兹腔结合内嵌式孔径的单元结构，基于声电类比法建立平面波在低
频吸声单元中传播的数学模型，计算其吸声系数。利用有限元法建立声场模型，完成了
低频吸声单元结构的空气吸声仿真，两种模型相互验证。研究序构型超构表面，实现单
元耦合宽带吸声；同时针对目前水下环境中的低频噪声问题，将超构表面的设计原理应
用到水下吸声中，使用深亚波长结构实现水下低频吸声。论文主要研究内容如下：
根据简谐平面波在阻抗表面上的吸收理论，建立了声波在阻抗表面传播的理论模型。
之后通过在传统的长方体形亥姆霍兹腔内部引入内嵌孔径，设计了能够在低频实现完美
声吸收的吸声单元，并且基于声电类比法画出结构的阻抗型类比图，求得吸声单元的吸
声系数理论解。在此基础上设计由多吸声单元耦合而成的宽频吸声超构表面，建立多共
振基元耦合声学结构的理论模型，计算多个共振单元之间的耦合效应。
之后，通过有限元仿真软件COMSOLMultiphysics，设计三维谐振腔结构，计算空
气介质中声波垂直入射下吸声单元的声学特性，并对其吸声机制进行分析。研究结构的
几何尺寸参数尺寸对结构声学特性的影响，总结各参数影响腔体结构吸声性能和共振频
率的变化规律。最后利用不同工作频率的吸声单元进行宽带耦合吸声设计，使用Nelder-
Mead算法对结构参数进行优化，得到目标频带下具有最佳吸声效果的超构表面几何参
数。使用20个吸声单元并联耦合，可以实现在310Hz-460Hz之间90%以上的声吸收。
最后，建立水下谐振腔模型，并考虑腔壁的弹性影响，进一步验证谐振腔单元的水
下声学特性。通过腔体在水下的声压分布以及热黏性耗散，分析腔体底部添加橡胶吸声
层对其水下吸声性能的影响，并进行水下低频吸声结构设计。最终可以实现在650Hz-
970Hz之间对正入射声波的80%声吸收，在500Hz-1090Hz之间降噪量大于6dB，其带
宽为590Hz，结构厚度仅为中心频率波长的1/44，证明所设计的水下宽带耦合超构表面
可以实现对水下低频声波的调控，且结构厚度为深亚波长尺度。
关键词：声学超构表面；亥姆霍兹腔；低频吸声；并联耦合；水下吸声结构
基于多亥姆霍兹单元耦合的低频宽带吸声结构研究
ABSTRACT
Withthecontinuousaccelerationofindustrialization,variousnoisephenomenaindaily
lifearebecomingincreasinglycommon.Low-frequencynoisehasalwaysbeenachallengein
thefieldofnoisecontrol,asitisdifficulttoattenuateduetoitslongwavelength.Helmholtz
resonatorisoftenusedinthefieldofnoisecontrolbecauseofitsstrongsinglefrequencysound
absorption,low-frequencysoundabsorption,andsimplestructure.Aimingattheproblemthat
thelow-frequencysoundabsorptionstructureiscomplexandlargeinscaleatpresent,thispaper
proposestousearectangularHelmholtzresonatorcombinedwithanembeddedapertureunit
structure.Basedon