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| DC 欄位 | 值 | 語言 |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | 邱奕鵬 | zh_TW |
| dc.contributor.advisor | Yih-Peng Chiou | en |
| dc.contributor.author | 洪楷 | zh_TW |
| dc.contributor.author | Kai Hung | en |
| dc.date.accessioned | 2023-08-15T16:42:42Z | - |
| dc.date.available | 2023-11-10 | - |
| dc.date.copyright | 2023-08-15 | - |
| dc.date.issued | 2023 | - |
| dc.date.submitted | 2023-07-31 | - |
| dc.identifier.citation | [1] F. Costa, A. Monorchio, and G. Manara, “Analysis and design of ultra thin electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance surfaces,” IEEE transactions on antennas and propagation, vol. 58, no. 5, pp. 1551-1558, 2010.
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| dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/88530 | - |
| dc.description.abstract | 在日常生活中,存在許多噪音影響人們的生活,包括高架橋、高架鐵路、風力發電、各種施工等,都是急需改善的問題。談論多元噪音的產生許多是來自背景空氣的流動,如飛機引擎或風力發電等,故同時含括開口透氣面積與高效吸收噪音的工程需求亦是迫切不可或缺的,才能確保設備順利運行時亦能降低噪音的產生,因此優化降噪設備則為本文的重點摘要。
考量到微縮化與較佳的吸收效果,本研究所設計的聲學吸音結構以四分之一波長共振腔作為基礎,並將微波領域中提出的寬頻FSS吸收器的概念[1]運用的聲波中,可將相對頻寬增加,再透過有限元素法做分析。首先,從二維與三維的環境設計共振腔並將其縮小化,驗證其共振頻率與品質因子Q變化趨勢的正確性,將其設計為週期排列的聲波反射器,並保持開口透氣面積超過50 %以達到良好的透氣率,接著運用阻抗匹配設計聲波吸音器,再用電路中二級的概念將其吸收係數與相對頻寬最大化,最終設計出同時具有高效吸收(>90 %)與高透氣面積(>50 %)的聲波吸音器,模擬結果在二維與三維的環境下皆非常吻合。 關鍵字:四分之一波長共振腔、品質因子、聲波吸音器、吸收係數 | zh_TW |
| dc.description.abstract | ABSTRACT
In daily life, the issue of noise affecting people's quality of life is ubiquitous. This includes noise generated by elevated railways, airport metros, and various construction activities, all of which require urgent improvement. Many sources of diverse noise arise from the flow of ambient air, such as airplane engines or wind power generation. Therefore, it is essential to simultaneously consider the engineering requirements of open ventilation areas and efficient noise absorption to ensure not only smooth equipment operation but also reduced noise generation. Consequently, optimizing noise reduction devices is the focal point of this thesis’ abstract. Considering miniaturization and improved absorption performance, the designed sound-absorbing structure in this thesis is based on a quarter-wavelength resonant cavity. Combining this concept with the frequency selective surface(FSS) circuit analogue absorber in the microwave domain, the fractional bandwidth can be increased and analyzed using finite element method (FEM). Firstly, two-dimensional and three-dimensional resonant cavity designs were created, and their miniaturization was validated, ensuring the correctness of the trend in resonance frequency and quality factor Q variations. The design was arranged in a periodic arrangement as a sound wave reflector while maintaining an open ventilation area of over 50% to achieve good air permeability. Next, impedance matching was applied to design the acoustic absorber, and the concept of two stages was used to maximize the absorption coefficient and relative bandwidth. Ultimately, an acoustic absorber was designed that simultaneously achieved high absorption (>90%) and a large open ventilation area (>50%). The simulation results were in excellent agreement in both the two-dimensional and three-dimensional environments. Keywords: Quarter-wave resonator, quality factor, acoustic absorber, absorption coefficient | en |
| dc.description.provenance | Submitted by admin ntu (admin@lib.ntu.edu.tw) on 2023-08-15T16:42:42Z No. of bitstreams: 0 | en |
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| dc.description.tableofcontents | 誌謝 i
中文摘要 ii ABSTRACT iii 目錄 v 圖目錄 vii 表目錄 xi 第一章 導論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 共振現象和共振腔 2 1.2.2 聲波反射器 [5]、聲波吸音器 3 1.2.3 寬頻的頻率選擇表面(frequency selective surface, FSS) 10 第二章 基本原理 12 2.1 聲波方程式 12 2.2 阻抗匹配對吸收係數的影響 13 2.2.1 平面波的介紹 13 2.2.2 聲阻抗的介紹 14 2.2.3 反射係數與穿透係數 15 2.2.4 分析四分之一波長共振腔的阻抗與吸收係數 18 2.3 吸收性濾波器電路原型 20 2.4 品質因子 23 2.5 聲波與電磁波的類比 24 2.6 模擬軟體 25 第三章 高透氣性吸音陣列之設計 26 3.1 有限元素方法模擬 26 3.2 聲波共振腔之參數設計 27 3.2.1 二維四分之一波長共振腔之共振頻率與品質因子Q 28 3.2.2 二維摺疊型共振腔之共振頻率與品質因子Q 30 3.2.3 三維摺疊型共振腔之共振頻率與品質因子Q 31 3.3 聲波反射器設計與模擬[36, 37] 33 3.3.1 一維週期聲波反射器模擬 34 3.3.2 二維週期聲波反射器模擬 39 3.4 一級聲波吸收器設計與模擬 42 3.4.1 吸音材料之阻抗計算 42 3.4.2 一維週期一級聲波吸收器模擬 44 3.4.3 二維週期一級聲波吸收器模擬 47 第四章 二級寬頻高透氣性吸音陣列之設計 52 4.1 一維週期第一層吸收材料與第二層聲學邊界之模擬 52 4.2 一維週期二級聲波吸收器模擬 54 4.3 一維週期二級透氣性聲波吸收器模擬 56 4.4 二維週期二級透氣性聲波吸收器模擬 58 4.5 一維週期二級寬頻透氣性聲波吸收器模擬 60 4.5.1 降低第二層共振腔的共振頻率 61 4.5.2 增加第二層共振腔的共振頻率 62 4.5.3 設計第二層並聯反射器 63 4.6 二維週期二級寬頻透氣性聲波吸收器模擬 69 4.7 與參考文獻之結果比較 76 4.8 一維週期二級透氣性聲波吸收器斜向入射 77 4.9 與傳統吸音海綿的比較 78 第五章 結論 80 參考文獻 81 圖目錄 圖 1.2 1 吸音海綿示意圖[6] 3 圖 1.2 2 微穿孔吸音板示意圖 3 圖 1.2 3 透氣性聲波反射器示意圖[18] 4 圖 1.2 4 參考文獻[18]之結果 4 圖 1.2 5 透氣性聲波反射器示意圖[19] 5 圖 1.2 6 參考文獻[19]之結果 5 圖 1.2 7透氣性聲波反射器示意圖[20] 6 圖 1.2 8 參考文獻[20]之transmission loss結果 6 圖 1.2 9 透氣性聲波吸收器示意圖[21] 7 圖 1.2 10參考文獻[21]之結果 7 圖 1.2 11透氣性聲波吸收器示意圖[22] 8 圖 1.2 12參考文獻[22]之吸收係數結果 8 圖 1.2 13高透氣性聲波吸收器示意圖[23] 8 圖 1.2 14參考文獻[23]之結果 9 圖 1.2 15 Costa團隊的高阻抗FSS circuit analogue absorber[1] 11 圖 1.2 16 FSS circuit analogue absorber之等效電路[27] 11 圖 2.2 1 垂直入射聲波時反射波與透射波示意圖[5] 16 圖 2.2 2四分之一波長管開口、閉口處與管長示意圖 18 圖 2.2 3不均勻截面管道示意圖[5] 20 圖 2.3 1左邊為串聯的LC電路、右邊為並聯的LC電路 21 圖 2.3 2 吸收性濾波器電路原型 21 圖 2.3 3 簡化後的電路原型 21 圖 2.3 4 Zs和Za阻抗對頻率的作圖[3] 22 圖 2.3 5 不同電阻值的反射圖[3] 23 圖 3.1 1 有限元素模擬流程圖 26 圖 3.2 1 聲波的振動強度在四分之波長共振腔之示意圖 28 圖 3.2 2二維四分之一波長共振腔模擬結構與放大圖 29 圖 3.2 3 二維四分之一波長共振腔絕對值聲壓p場圖 29 圖 3.2 4 二維摺疊型共振腔模擬結構與放大圖 30 圖 3.2 5二維摺疊型共振腔絕對值聲壓p場圖 31 圖 3.2 6三維摺疊型共振腔模擬結構與放大圖 32 圖 3.2 7三維摺疊型共振腔絕對值聲壓p場圖 32 圖 3.3 1入射與出射聲壓場示意圖 33 圖 3.3 2 一維週期聲波反射器結構 34 圖 3.3 3當Λ固定28.8 cm時,不同口徑共振腔之反射率 35 圖 3.3 4當Λ固定28.8 cm時,不同口徑共振腔之穿透率 35 圖 3.3 5 透氣面積比之參數定義示意圖 37 圖 3.3 6當透氣面積固定53.9 %時,不同口徑共振腔之反射率 38 圖 3.3 7當透氣面積固定53.9 %時,不同口徑共振腔之穿透率 38 圖 3.3 8三維摺疊型聲波反射器結構圖、絕對值p場圖 39 圖 3.3 9三維摺疊型聲波反射器結構圖、俯視圖 40 圖 3.3 10共振腔相同結構參數下,不同週期Λ排列時的反射率 41 圖 3.3 11共振腔相同結構參數下,不同週期Λ排列時的穿透率 41 圖 3.4 1三聚氰胺(Melamine)透過電子顯微鏡所拍攝的局部放大圖 43 圖 3.4 2四分之一波長共振腔聲壓與振動強度波振幅示意圖 44 圖 3.4 3 吸收材料阻抗之模擬結構圖 45 圖 3.4 4聚氨酯吸收材料的厚度與阻抗的計算結果 45 圖 3.4 5聚氨酯吸收材料的厚度與阻抗的計算結果局部放大 46 圖 3.4 6一維週期一級聲波吸收器建模示意圖與放大圖 46 圖 3.4 7阻抗匹配時的一維週期一級摺疊型共振腔穿透、反射、吸收 47 圖 3.4 8將三維建模的吸收材料置放在摺疊型共振腔開口處 48 圖 3.4 9二維週期摺疊型聲波吸收器結構圖、俯視圖 48 圖 3.4 10阻抗匹配時的二維週期一級摺疊型共振腔的穿透、反射、吸收 49 圖 3.4 11增加一維週期後的穿透、反射、吸收 50 圖 3.4 12一維調整週期後的吸收係數與二維的結果比較 50 圖 4.1 1 第一層吸收材料、第二層聲學剛性邊界模擬結構圖 52 圖 4.1 2 只有第一層吸收材料、加上第二層聲學剛性邊界之吸收係數 53 圖 4.1 3 第一層吸收材料、第二層聲學柔性邊界模擬結構圖 53 圖 4.1 4 只有第一層吸收材料、加上第二層聲學柔性邊界之吸收係數 54 圖 4.2 1第二層使用acoustic hard boundary結構示意圖 55 圖 4.2 2第二層使用acoustic soft boundary結構示意圖 55 圖 4.2 3三種狀況的吸收係數結果疊圖 56 圖 4.3 1一為週期二級透氣性聲波吸收器結構圖 57 圖 4.3 2一維週期二級透氣性聲波吸收器吸收係數結果 57 圖 4.3 3三種條件的吸音係數結果疊圖 58 圖 4.4 1二維週期二級透氣性聲波吸收器結構圖、俯視圖 59 圖 4.4 2二維週期二級透氣性聲波吸收器之吸收係數 59 圖 4.4 3一維週期與二維週期二級透氣性聲波吸收器之吸音係數疊圖 60 圖 4.5 1第二層頻率反射峰值為480 Hz的共振腔 61 圖 4.5 2 一維週期第二層增加管長與原本的結果比較圖 62 圖 4.5 3第二層頻率反射峰值為620 Hz的共振腔 62 圖 4.5 4 一維週期第二層縮短管長與原本的結果比較圖 63 圖 4.5 5 一維週期第二層模擬三種管長的反射頻譜 64 圖 4.5 6 一維週期三種管長的反射頻譜響應 64 圖 4.5 7一維週期第一層吸收器加上第二層低頻反射器 65 圖 4.5 8一維週期第一層吸收器加上第二層中間頻反射器 66 圖 4.5 9一維週期第一層吸收器加上第二層高頻反射器 66 圖 4.5 10一維週期第一層吸收器與第二層並聯反射器結合 67 圖 4.5 11 一維週期二級透氣性寬頻聲波吸收器之吸收係數 67 圖 4.5 12 將第二層結構做修改示意圖 67 圖 4.5 13 第二層修改後的吸收係數結果 68 圖 4.5 14一維週期二級透氣性聲波吸收器頻寬增加前後比較圖 68 圖 4.6 1 二維週期第二層並聯管分解示意圖 69 圖 4.6 2 二維週期第二層並聯管分解示意圖 70 圖 4.6 3 二維週期第二層模擬三種管長的反射頻譜 70 圖 4.6 4二維週期三種管長的反射頻譜響應 71 圖 4.6 5二維週期第一層吸收器加上第二層小型低頻反射器 72 圖 4.6 6二維週期第一層吸收器加上第二層小型中間反射器 72 圖 4.6 7二維週期第一層吸收器加上第二層小型高頻反射器 72 圖 4.6 8 二維週期開口處添加吸收材質示意圖 73 圖 4.6 9 二維週期第一層吸收器與第二層並聯反射器結合 73 圖 4.6 10 二維週期二級透氣性寬頻聲波吸收器之吸收係數 74 圖 4.6 11 二維週期二級透氣性聲波吸收器頻寬增加前後比較圖 74 圖 4.6 12 一維週期與二維週期的模型對照圖 75 圖 4.6 13 一維週期與二維週期的吸收係數比較圖 76 圖 4.8 1 一維週期二級透氣性聲波吸收器斜向入射架構 77 圖 4.8 2 垂直與不同角度入射的吸收係數結果 78 圖 4.9 1 厚度20 cm與40 cm的Melamine在低頻度的吸音係數 79 圖 4.9 2吸音海綿與本研究的吸音係數比較 79 表目錄 表 2.5 1 聲波與電磁波的類比 24 表 3.2 1聲波在空氣與銅中的傳遞速度、空氣密度、銅密度 28 表 3.2 2二維四分之一波長共振腔之共振頻率及品質因子Q 30 表 3.2 3 二維摺疊型共振腔之共振頻率及品質因子Q 31 表 3.3 1 一維週期聲波反射器參數 37 表 3.3 2二維週期聲波反射器參數 40 表 3.4 1三聚氰胺(Melamine)的五個非聲學參數 43 表 3.4 2聚氨酯(Polyurethane)的五個非聲學參數 43 表 3.4 3一維週期一級聲波吸收器參數 46 表 3.4 4二維週期一級聲波吸收器參數 48 表 3.4 5一維週期一級聲波吸收器修正週期 51 表 4.2 1一維週期二級聲波吸收器參數 (Unit: mm) 55 表 4.4 1二維週期二級透氣性聲波吸收器參數(Unit: mm) 59 表 4.5 1 一維週期並聯管參數(Unit: mm) 65 表 4.5 2 一維週期時最佳化時固定的參數(Unit: mm) 65 表 4.5 3 一維週期最佳化前後參數對照表(Unit: mm) 67 表 4.5 4 一維週期頻寬增加前後結果比較 69 表 4.6 1 二維週期並聯管參數(Unit: mm) 69 表 4.6 2 二維週期第二層反射器開口處吸收材料厚度(Unit: mm) 71 表 4.6 3 二維週期時最佳化時固定的參數(Unit: mm) 71 表 4.6 4 二維週期最佳化前後參數對照表(Unit: mm) 73 表 4.6 5 二維週期頻寬增加前後結果比較 75 表 4.7 1 與反射式聲波屏障之結果比較 76 表 4.7 2 與吸收式聲學metamaterails之結果比較 77 | - |
| dc.language.iso | zh_TW | - |
| dc.subject | 聲波吸音器 | zh_TW |
| dc.subject | 四分之一波長共振腔 | zh_TW |
| dc.subject | 品質因子 | zh_TW |
| dc.subject | 吸收係數 | zh_TW |
| dc.subject | quarter-wave resonator | en |
| dc.subject | quality factor | en |
| dc.subject | absorption coefficient | en |
| dc.subject | acoustic absorber | en |
| dc.title | 低頻段高效吸收的超透氣性聲學超表面之研究 | zh_TW |
| dc.title | Ultra-Open Acoustic Absorbing Metasurfaces with High Efficiency at Low Frequency | en |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.date.schoolyear | 111-2 | - |
| dc.description.degree | 碩士 | - |
| dc.contributor.oralexamcommittee | 宋家驥;賴志賢;蕭惠心 | zh_TW |
| dc.contributor.oralexamcommittee | Chia-Chi Sung;Chih-Hsien Lai;Hui-Hsin Hsiao | en |
| dc.subject.keyword | 四分之一波長共振腔,品質因子,聲波吸音器,吸收係數, | zh_TW |
| dc.subject.keyword | quarter-wave resonator,quality factor,acoustic absorber,absorption coefficient, | en |
| dc.relation.page | 85 | - |
| dc.identifier.doi | 10.6342/NTU202302274 | - |
| dc.rights.note | 同意授權(全球公開) | - |
| dc.date.accepted | 2023-08-02 | - |
| dc.contributor.author-college | 電機資訊學院 | - |
| dc.contributor.author-dept | 光電工程學研究所 | - |
| dc.date.embargo-lift | 2028-07-28 | - |
| 顯示於系所單位: | 光電工程學研究所 | |
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|---|---|---|---|
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