Low acoustic impedance arc-shaped chiral metamaterials for low-frequency and broadband underwater sound insulation

声学 水下 材料科学 宽带 超材料 声阻抗 电阻抗 声压 声音传输等级 阻抗匹配 均质化(气候) 静水压力 隔音 谐振器 高阻抗 包层(金属加工) 分裂环谐振器 还原(数学)
作者
Congrui Wang,Z. Zheng,Yutong Qin,Qi Jia,Runan Hua,Haibin Yang,Dianlong Yu
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:265: 115879-115879
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2026.115879
摘要

• A novel arc-shaped chiral metamaterial is designed to create strong impedance mismatch with water through its geometry. • It provides broadband low-frequency sound insulation at subwavelength thickness and maintains pressure resistance via enhanced stiffness. • The multifunctional performance is thoroughly validated by simulations and experiments. This work proposes an arc-shaped chiral metamaterial (ACM) for low-frequency underwater sound insulation. The equivalent parameters of the designed arc-shaped chiral lattice (ACL) in the metamaterial are derived and evaluated using homogenization method. It is demonstrated that the arc central angle serves as a key geometric parameter for tuning the ACM’s acoustic and mechanical properties. By strategically adjusting this angle, a continuous reduction in equivalent acoustic impedance can be achieved, thereby significantly enhancing impedance mismatch with water. Numerical results for the transmission loss (TL) demonstrate that the metamaterial, designed according to this principle, exhibits excellent low-frequency broadband performance for underwater sound insulation while maintaining a deep subwavelength thickness. Furthermore, a stiffness recovery mechanism is identified at a specific central angle, enabling the design of pressure-resistant configurations that maintain acoustic functionality under a certain hydrostatic pressure. Experimental measurements agree well with simulations, validating the proposed design methodology for developing high-performance underwater sound insulation metamaterials. The insights from this work offer a practical pathway and may aid in the future development of efficient, lightweight underwater sound-insulating metamaterials.
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