超薄法向-剪切耦合超材料屏障用于低频水下声学隔声
应用物理
2025-06-12 v1
摘要
人为活动（如海上风电场）引起的水下噪声污染显著影响海洋生物，阻碍许多水生物种的种内和种间相互作用。缓解这些影响的常见策略是将噪声源封闭在物理屏障内，以在周围区域实现可接受的噪声水平。水下屏障通常通过基于局部共振系统（如泡沫和气泡元件）或声反射系统（如气泡帘）实现噪声衰减。尽管基于局部共振的方案可实现显著的噪声衰减量，但其性能通常窄带。另一方面，声反射系统需要更宽的尺寸，在低频段表现不佳。因此，显著的低频水下噪声衰减仍是一个未解决的问题，尤其是在考虑在宽频率范围内工作的薄结构时。本研究提出了一种基于超材料的声学屏障设计，其水下噪声衰减得益于定制的各向异性材料特性。采用拓扑优化方法获得一个最大化法向应力与剪切应变之间耦合（反之亦然）的单元胞。所得到的超材料屏障在低频段呈现亚波长厚度-波长比（约1 kHz以下为1/70），并在更高频率处具有高声传输损失值（2 kHz以上接近100 dB）。我们还研究了静水压力增加的影响，提出了可实现实际应用的结构改进。本研究结果表明了一种高效的超材料方案用于水下噪声缓解，提示利用各向异性于声学绝缘应用中的富有成效的方向。
引用
@article{arxiv.2506.09248,
title = {Ultra-thin normal-shear-coupled metabarrier for low-frequency underwater sound insulation},
author = {V. F. Dal Poggetto and M. Miniaci},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.09248},
year = {2025}
}