基于弱吸声单元耦合的轻薄宽频强吸声结构

来源：两江科技评论

导读

近日，同济大学和香港理工大学科研人员合作提出了一种新颖的设计理念，采用厚度更薄的非完美单元个体（本身仅具有低效吸声性能），通过强化它们之间的耦合作用，实现了高效的宽频吸声。基于该理念设计的超构表面吸声体（厚度为 3.9 cm）具备在宽带范围内 (870 Hz – 3224 Hz) 高效吸声 (平均吸声系数 0.957) 的优异性能。该工作发挥了非完美吸声单元相较于完美吸声单元在结构厚度上的优势，揭示了耦合作用主导吸声性能的设计模式在吸声效率上优于拼接独立强吸声单元模式的机理。相关研究成果以“Compact broadband acoustic sink with coherently coupled weak resonances”为题发表于Science Bulletin第65期上 [Sci. Bull. 65, 373 (2020)]。同济大学声学研究所博士研究生黄思博和周志凌为共同第一作者，香港理工大学祝捷副教授、同济大学王旭副教授和李勇研究员为论文通讯作者。

研究背景

低频噪声是环境噪声控制中的“顽疾”。根据经典声学理论，传统吸声材料/结构的厚度受限于其工作频率的声波波长。因此，寻求具有深亚波长厚度的宽频强吸声体具有重要的科学意义及广泛的应用价值。近年来，声学超构材料/超构表面的迅速发展为实现深亚波长完美吸声体提供了新的途径，基于薄膜共振、卷曲背腔及内延管亥姆赫兹共振器等概念设计的超构表面吸声体突破了传统结构的厚度限制，实现了窄带高效吸声。

在此基础上，研究者进一步将一系列这样的共振单元组成阵列，通过这些单元本身的吸声峰“拼接”实现了具有一定宽度的吸声频带。在该类设计中，单元阵列的整体吸声性能主要取决于共振单元本身的吸声效率，而单元间的耦合往往仅起到次要的作用。

创新研究

为了拓宽结构的吸声频带，传统的设计思路将一系列具有高效吸声性能的共振单元组成阵列，但这种设计中，对每一个共振单元的高吸声要求会极大地限制他们的声阻抗调节及厚度压缩。本文提出并验证了一种新的设计理念，即通过强化一系列弱吸声单元之间的耦合作用来实现一种新型的轻薄宽频强吸声结构。基于该设计理念，尽管每一个独立的弱吸声单元仅具有较低的吸声峰值，但通过强化并调控单元之间的耦合作用，单元阵列整体可以在宽频范围内实现吸声性能的巨幅提升，同时其厚度相较于传统方法设计的结构得到显著缩减[如图1所示]。

图1 基于完美吸声单元与弱吸声单元耦合的吸声结构及其吸声性能比较。上图：由四个单频完美吸声体（分别对应彩色吸声曲线）组成的宽频吸声结构的理论（黑色实线）和实验（黑色圈点）吸声曲线。下图：由四个非完美吸声体（分别对应彩色吸声曲线）组成宽频吸声结构的理论（黑色实线）和实验（黑色点）吸声曲线。

图2揭示了非完美吸声单元在厚度上的优势[图2a]，并展示了利用轻薄弱吸声单元之间的耦合作用实现整体结构吸声性能的提升[图2b-d]。图3展示了基于弱吸声单元串并联耦合的宽带吸声结构设计[图3a]及其吸声性能[图3b-c]。通过引入附加的微穿孔板，该结构获得了更高自由度的耦合作用调节，因此可以实现更宽频的声阻抗匹配。此外，从图3d的复频率分析中可以看出，若在该结构中增加少许内部损耗（可通过吸声棉实现），可以获得更高的吸声效率，并且吸声频带几乎保持不变。

图2  (a) 内插孔式亥姆霍兹共鸣器的吸声系数随厚度（L）的变化趋势。(b) 基于弱吸声单元耦合的宽带吸声结构示意图及实验样品。(c) 理论计算(线)和实验测量(圈)的结构表面声阻抗。(d) 结构的理论(黑线)和实验(黑圈)吸声系数。彩色线条表示25个独立单元的吸声曲线。

图3 (a) 基于弱吸声单元和穿孔板耦合的宽带吸声结构示意图及实验样品。(b) 结构的理论 (黑线)和实验(黑圈)吸声系数。蓝色线条和绿色分别表示底部组合吸声单元及顶部微穿孔吸声体（微穿孔板加中部空气层）的独立吸声曲线。 (c) 理论计算(线)和实验测量(圈)的结构表面声阻抗。(d) 结构复频率分析。

该研究为设计新颖的超薄宽频吸声结构开辟了新的途径，也为广泛的表面阻抗调控相关研究领域提供了一种新的设计思路。该项工作得到中国国家自然科学基金（11704284, 11774265）,中国科协青年人才托举工程（2018QNRC001）以及上海市浦江人才计划（17PJ1409000）支持。