具有高通风与宽带吸收的超材料吸声器

来源：两江科技评论

导读

在过去的二十年中，声学超材料的发展给声波调制带来了许多全新的可能。例如，为了克服传统的吸声材料在低频声波（<1000Hz）的吸声效果差的局限性，研究者提出了各种亚波长尺度的声学超材料吸声器。然而，这些声学超材料吸声器在通风与吸收性能之间难以找到一个较好的平衡点，限制了其在通风环境中的应用。近日，科研人员提出了一种基于超开放开口管谐振腔的高通风的吸声超材料，对低频段的声波实现了良好的吸收（最高吸收>95%），同时保证了高效的通风性能（风速比>80%），其机理是通过背向布置的开口管谐振腔极高的损耗导致的吸收峰的简并。并且，通过设计组合不同共振频率的吸收器单元可以形成一种宽频的结构，该结构在对低频的声波实现宽频带吸收的同时仍然能保持高效的通风环境，而且这个吸收频带也是可定制的。该超材料的特性使得其在空调、通风橱、发动机等必须保证通风性能的结构上具有重要的降噪应用前景，也可用于设计吸声通风窗等结构，在保证通风与光照的前提下实现安静的室内环境。该工作由重庆大学软凝聚态物理及智能材料研究重庆市重点实验室与香港科技大学合作，发表于《Extreme Mechanics Letters》，向霄为第一作者，温维佳教授，王蜀霞教授，吴肖肖博士为共同通讯作者。

研究背景

目前的传统吸声材料与超材料吸声器在吸声的同时往往也阻碍了空气的流动，而在实际的生活中总有一些场景需要高效吸收噪声的同时也保持空气的顺畅流动。由于对称性与共振模式的限制，过去的大多数深亚波长超材料吸声器在通风的情况下，吸声率一般难以超过50%。因此，我们需要在通风效率和降噪之间进行权衡。此外，基于共振的吸声器一般只具有单一的吸收频率，实际上生活中的噪声往往分布在较宽的频率范围内，因此设计一种具有高效宽频通风性能的亚波长吸声超材料仍是一项挑战。

本研究设计了一种基于开口管谐振腔的具有高通风性能的超材料吸声器。本设计通过背对排布的开口管共振腔的共振之间的弱耦合与高损耗使得吸收峰发生简并而使得通风吸声器在低频声波段具有高效通风吸声的性能。对于其吸收性能以及结构示意图，可以在图1中看到，同时视频1直观演示了本吸收器的工作效果。图1(a)是设计结构图，分别为通风吸声器阵列和其中一组通风吸声器以及通风吸声器中单个吸声单元的设计示意图。阵列中的开口通道允许空气、水等流体通过。图1(b)是吸声阵列的吸音频谱。我们用有无样品情况下的风速之比来标定吸声器的通风性能，而实验测试得到该阵列的风速比>80%。因此，可以看到在保证高效通风的情况下，该吸声器仍能实现高效的吸收。宽频吸收器的构造示意图以及吸音频谱如图2所示。图2(a)是根据宽带吸收优化理论选取不同共振频率的多个吸声单元组合而得到的宽频吸收结构的结构示意图。图2(b)-(d)是不同宽频吸收器的吸音频谱图。图3中解释了该超开放通风吸声器的原理。图3(a)是吸声器中单个吸声单元的弹簧振子的等效模型。图3(b)展示了随着吸声器结构中狭缝通道宽度(wchan)的减小，吸收峰发生简并的情况。进一步通过模型，推导得到当（κc, ηl, ηr分别为谐振腔的耦合辐射、内部损耗、辐射损耗）时这两个吸收峰将会发生简并，如图3(c)所标示。通过模拟，图3(d)中展示的两个吸收峰的频率随狭缝宽度的变化逐渐接近并“融合”的情况验证了相关的推导。

创新研究

视频1 通风超材料吸收器的效果展示。

图1(a) 吸声器的结构，包括吸声器阵列(左)，一组吸声器(右上)，和吸声器单元(右下，为展示内部构造，结构翻转了90°)的示意图。(b)吸声器阵列的吸音频谱，以及相同几何尺寸吸音海绵的实验吸音频谱。

图2(a)宽频吸声器结构示意图。(b)-(d)三种根据不同工作频带定制的宽频吸声器的吸收谱。

图3(a)吸声器单元的等效振子模型。(b)比较模拟与基于模型的理论的计算得到的吸音频谱。(c),(d)极细狭缝通道(wchan)导致高损耗与弱耦合，使得吸收峰简并。

总 结

本研究设计并实验展示了一种具有可定制的宽带性能，能够高效吸收低频声波的超开放式通风超材料吸收器。吸收器由弱耦合的分裂管谐振腔组成，可以通过调整适当的几何参数同时实现高效的吸收和通风。超开放吸声单元的关键是两个开口管谐振腔之间的弱耦合，这导致了对称和反对称模式的两个吸收峰的简并，并产生高效的吸收。根据优化宽带吸收的理论，我们在维持高效通风的条件下，选择指数分布的共振模式，将其吸收频率扩展到宽带范围。吸收器也可以在多个不连续吸声带中工作。这种结构有效打破了以前的吸声超材料的局限性，同时实现了高效的吸声和通风，并且可以扩展到定制的宽带工作频率。该研究在声学工程场景中具有广阔的应用潜力，例如涡轮机和管道系统的噪声控制。尽管仅研究了空气环境中的超材料吸声器，但其设计原理也应适用于其他背景流体。重庆大学研究生向霄为本工作第一作者，香港科技大学温维佳教授，吴肖肖博士，重庆大学软凝聚态物理及智能材料研究重庆市重点实验室王蜀霞教授为共同通讯作者。