來(lái)源：兩江科技評(píng)論

導(dǎo)讀

近日，同濟(jì)大學(xué)和香港理工大學(xué)科研人員合作提出了一種新穎的設(shè)計(jì)理念，采用厚度更薄的非完美單元個(gè)體（本身僅具有低效吸聲性能），通過(guò)強(qiáng)化它們之間的耦合作用，實(shí)現(xiàn)了高效的寬頻吸聲。基于該理念設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面吸聲體（厚度為 3.9 cm）具備在寬帶范圍內(nèi) (870 Hz – 3224 Hz) 高效吸聲 (平均吸聲系數(shù) 0.957) 的優(yōu)異性能。該工作發(fā)揮了非完美吸聲單元相較于完美吸聲單元在結(jié)構(gòu)厚度上的優(yōu)勢(shì)，揭示了耦合作用主導(dǎo)吸聲性能的設(shè)計(jì)模式在吸聲效率上優(yōu)于拼接獨(dú)立強(qiáng)吸聲單元模式的機(jī)理。相關(guān)研究成果以“Compact broadband acoustic sink with coherently coupled weak resonances”為題發(fā)表于Science Bulletin第65期上 [Sci. Bull. 65, 373 (2020)]。同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所博士研究生黃思博和周志凌為共同第一作者，香港理工大學(xué)祝捷副教授、同濟(jì)大學(xué)王旭副教授和李勇研究員為論文通訊作者。

研究背景

低頻噪聲是環(huán)境噪聲控制中的“頑疾”。根據(jù)經(jīng)典聲學(xué)理論，傳統(tǒng)吸聲材料/結(jié)構(gòu)的厚度受限于其工作頻率的聲波波長(zhǎng)。因此，尋求具有深亞波長(zhǎng)厚度的寬頻強(qiáng)吸聲體具有重要的科學(xué)意義及廣泛的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，聲學(xué)超構(gòu)材料/超構(gòu)表面的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)完美吸聲體提供了新的途徑，基于薄膜共振、卷曲背腔及內(nèi)延管亥姆赫茲共振器等概念設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面吸聲體突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的厚度限制，實(shí)現(xiàn)了窄帶高效吸聲。

在此基礎(chǔ)上，研究者進(jìn)一步將一系列這樣的共振單元組成陣列，通過(guò)這些單元本身的吸聲峰“拼接”實(shí)現(xiàn)了具有一定寬度的吸聲頻帶。在該類設(shè)計(jì)中，單元陣列的整體吸聲性能主要取決于共振單元本身的吸聲效率，而單元間的耦合往往僅起到次要的作用。

創(chuàng)新研究

為了拓寬結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路將一系列具有高效吸聲性能的共振單元組成陣列，但這種設(shè)計(jì)中，對(duì)每一個(gè)共振單元的高吸聲要求會(huì)極大地限制他們的聲阻抗調(diào)節(jié)及厚度壓縮。本文提出并驗(yàn)證了一種新的設(shè)計(jì)理念，即通過(guò)強(qiáng)化一系列弱吸聲單元之間的耦合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)一種新型的輕薄寬頻強(qiáng)吸聲結(jié)構(gòu)?；谠撛O(shè)計(jì)理念，盡管每一個(gè)獨(dú)立的弱吸聲單元僅具有較低的吸聲峰值，但通過(guò)強(qiáng)化并調(diào)控單元之間的耦合作用，單元陣列整體可以在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸聲性能的巨幅提升，同時(shí)其厚度相較于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)得到顯著縮減[如圖1所示]。

圖1 基于完美吸聲單元與弱吸聲單元耦合的吸聲結(jié)構(gòu)及其吸聲性能比較。上圖：由四個(gè)單頻完美吸聲體（分別對(duì)應(yīng)彩色吸聲曲線）組成的寬頻吸聲結(jié)構(gòu)的理論（黑色實(shí)線）和實(shí)驗(yàn)（黑色圈點(diǎn)）吸聲曲線。下圖：由四個(gè)非完美吸聲體（分別對(duì)應(yīng)彩色吸聲曲線）組成寬頻吸聲結(jié)構(gòu)的理論（黑色實(shí)線）和實(shí)驗(yàn)（黑色點(diǎn)）吸聲曲線。

圖2揭示了非完美吸聲單元在厚度上的優(yōu)勢(shì)[圖2a]，并展示了利用輕薄弱吸聲單元之間的耦合作用實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)吸聲性能的提升[圖2b-d]。圖3展示了基于弱吸聲單元串并聯(lián)耦合的寬帶吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[圖3a]及其吸聲性能[圖3b-c]。通過(guò)引入附加的微穿孔板，該結(jié)構(gòu)獲得了更高自由度的耦合作用調(diào)節(jié)，因此可以實(shí)現(xiàn)更寬頻的聲阻抗匹配。此外，從圖3d的復(fù)頻率分析中可以看出，若在該結(jié)構(gòu)中增加少許內(nèi)部損耗（可通過(guò)吸聲棉實(shí)現(xiàn)），可以獲得更高的吸聲效率，并且吸聲頻帶幾乎保持不變。

圖2  (a) 內(nèi)插孔式亥姆霍茲共鳴器的吸聲系數(shù)隨厚度（L）的變化趨勢(shì)。(b) 基于弱吸聲單元耦合的寬帶吸聲結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)驗(yàn)樣品。(c) 理論計(jì)算(線)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量(圈)的結(jié)構(gòu)表面聲阻抗。(d) 結(jié)構(gòu)的理論(黑線)和實(shí)驗(yàn)(黑圈)吸聲系數(shù)。彩色線條表示25個(gè)獨(dú)立單元的吸聲曲線。

圖3 (a) 基于弱吸聲單元和穿孔板耦合的寬帶吸聲結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)驗(yàn)樣品。(b) 結(jié)構(gòu)的理論 (黑線)和實(shí)驗(yàn)(黑圈)吸聲系數(shù)。藍(lán)色線條和綠色分別表示底部組合吸聲單元及頂部微穿孔吸聲體（微穿孔板加中部空氣層）的獨(dú)立吸聲曲線。 (c) 理論計(jì)算(線)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量(圈)的結(jié)構(gòu)表面聲阻抗。(d) 結(jié)構(gòu)復(fù)頻率分析。

該研究為設(shè)計(jì)新穎的超薄寬頻吸聲結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新的途徑，也為廣泛的表面阻抗調(diào)控相關(guān)研究領(lǐng)域提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。該項(xiàng)工作得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（11704284, 11774265）,中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程（2018QNRC001）以及上海市浦江人才計(jì)劃（17PJ1409000）支持。