供稿人：張童童、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-05-20
噪聲污染已經(jīng)成為影響人類和其他生物體的普遍和有害的問題，然而，以前的超材料或超表面大多是基于目標(biāo)頻率范圍設(shè)計的固定結(jié)構(gòu)，并且一旦制成就不能重新配置，從而限制了它們的通用性并與在各種場景中的應(yīng)用。因此，需要開發(fā)一種聲學(xué)超材料，其在吸聲和空氣通風(fēng)系統(tǒng)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的寬帶吸聲，以滿足各種環(huán)境中的各種降噪要求。
中國科學(xué)院大學(xué)的Mei Zhongjian 提出一種可重構(gòu)的聲學(xué)超材料，它由多個吸收模塊堆疊而成，可以在封閉空間和通風(fēng)系統(tǒng)中實現(xiàn)有效的寬帶吸聲。每個模塊呈現(xiàn)出較寬的工作頻帶，并且可以通過修改模塊的幾何參數(shù)來調(diào)整吸收頻率范圍。此外，通過重新配置吸收模塊，可以容易地定制聲學(xué)超材料以實現(xiàn)期望的吸收光譜。為了說明設(shè)計概念，提出了一種由五層吸收模塊組成的超材料，在450-2000 Hz范圍內(nèi)的平均吸收系數(shù)為0.92。在階梯井底部保持開放的另一種情況下，超材料可用作通風(fēng)屏障，允許氣流循環(huán)并抑制650-2400 Hz范圍內(nèi)高達(dá)90%的聲能。
圖1 吸聲結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程及不同方案對應(yīng)的吸聲系數(shù)曲線。(a)具有固定工作頻帶的串聯(lián)耦合超材料吸收器，（B）具有多個工作頻帶的串聯(lián)-并聯(lián)耦合超材料吸收器和（c）具有可擴(kuò)展工作頻帶的可重構(gòu)模塊化超材料吸收器
通過如圖1（c）所示周期性地布置單個超材料來構(gòu)建更大的結(jié)構(gòu)。在吸聲結(jié)構(gòu)的中間是一個倒置的階梯狀井，每一個臺階對應(yīng)一層聲學(xué)模塊，模塊堆疊在一起。當(dāng)階梯井的底部是封閉端時，超材料可用作吸收器。對于在底部具有開口端的階梯式井，超材料也可以用作通風(fēng)消聲器。隨著堆疊模塊的數(shù)量增加，較低模塊的吸聲性能不斷提高。模塊越多，超材料中間的階梯井越深，下部模塊的聲電容增加越多，導(dǎo)致下部模塊的吸收性能逐漸提高。
圖2 (a)所設(shè)計的由五層模塊組成的寬帶超材料的示意圖。(b)模塊化超材料吸聲曲線的理論計算與數(shù)值模擬
設(shè)計了由20個失諧HRET單元組成的五層模塊化超材料，每層具有相同的厚度，通過理論計算和有限元模擬預(yù)測了模塊化超材料的吸收系數(shù)?？梢杂^察到，理論和模擬結(jié)果顯示出良好的一致性，在450 Hz-2000 Hz的范圍內(nèi)獲得的寬帶吸收光譜，表現(xiàn)出約0.92的平均吸收系數(shù)。
圖3（a） 寬帶模塊化超材料的實驗驗證。(a)3D打印原型照片和實驗裝置示意圖。(b)實驗測量和理論計算的超材料的聲吸收譜。(c)實驗測量和理論計算的歸一化電阻和電抗的超材料
使用光固化技術(shù)制備樣件后在阻抗管中進(jìn)行吸聲系數(shù)測試，在圖3（c）中描繪了歸一化為空氣的特性阻抗的表面阻抗。歸一化電阻和電抗曲線分別在[1,2]和[-1,0]范圍內(nèi)波動。這種良好匹配的聲阻抗確保了在450 Hz和2000 Hz之間的持續(xù)高效吸收。本研究提出了一個模塊化的概念框架，用于設(shè)計寬帶聲學(xué)超材料，提高其可復(fù)用性，可維護(hù)性，可擴(kuò)展性和可開發(fā)性。