來源：兩江科技評論

導讀

近日，同濟大學和香港理工大學科研人員合作提出了一種新穎的設計理念,，采用厚度更薄的非完美單元個體（本身僅具有低效吸聲性能）,，通過強化它們之間的耦合作用，實現(xiàn)了高效的寬頻吸聲,?；谠摾砟钤O計的超構表面吸聲體（厚度為 3.9 cm）具備在寬帶范圍內 (870 Hz – 3224 Hz) 高效吸聲 (平均吸聲系數 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構厚度上的優(yōu)勢,，揭示了耦合作用主導吸聲性能的設計模式在吸聲效率上優(yōu)于拼接獨立強吸聲單元模式的機理,。相關研究成果以“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)]。同濟大學聲學研究所博士研究生黃思博和周志凌為共同第一作者，香港理工大學祝捷副教授,、同濟大學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”。根據經典聲學理論,，傳統(tǒng)吸聲材料/結構的厚度受限于其工作頻率的聲波波長,。因此，尋求具有深亞波長厚度的寬頻強吸聲體具有重要的科學意義及廣泛的應用價值,。近年來,，聲學超構材料/超構表面的迅速發(fā)展為實現(xiàn)深亞波長完美吸聲體提供了新的途徑，基于薄膜共振,、卷曲背腔及內延管亥姆赫茲共振器等概念設計的超構表面吸聲體突破了傳統(tǒng)結構的厚度限制,，實現(xiàn)了窄帶高效吸聲。

在此基礎上,，研究者進一步將一系列這樣的共振單元組成陣列,，通過這些單元本身的吸聲峰“拼接”實現(xiàn)了具有一定寬度的吸聲頻帶。在該類設計中,，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

為了拓寬結構的吸聲頻帶,，傳統(tǒng)的設計思路將一系列具有高效吸聲性能的共振單元組成陣列,，但這種設計中，對每一個共振單元的高吸聲要求會極大地限制他們的聲阻抗調節(jié)及厚度壓縮,。本文提出并驗證了一種新的設計理念,，即通過強化一系列弱吸聲單元之間的耦合作用來實現(xiàn)一種新型的輕薄寬頻強吸聲結構?；谠撛O計理念,，盡管每一個獨立的弱吸聲單元僅具有較低的吸聲峰值，但通過強化并調控單元之間的耦合作用,，單元陣列整體可以在寬頻范圍內實現(xiàn)吸聲性能的巨幅提升,，同時其厚度相較于傳統(tǒng)方法設計的結構得到顯著縮減[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構及其吸聲性能比較,。上圖：由四個單頻完美吸聲體（分別對應彩色吸聲曲線）組成的寬頻吸聲結構的理論（黑色實線）和實驗（黑色圈點）吸聲曲線,。下圖：由四個非完美吸聲體（分別對應彩色吸聲曲線）組成寬頻吸聲結構的理論（黑色實線）和實驗（黑色點）吸聲曲線。

圖2揭示了非完美吸聲單元在厚度上的優(yōu)勢[圖2a],，并展示了利用輕薄弱吸聲單元之間的耦合作用實現(xiàn)整體結構吸聲性能的提升[圖2b-d],。圖3展示了基于弱吸聲單元串并聯(lián)耦合的寬帶吸聲結構設計[圖3a]及其吸聲性能[圖3b-c]。通過引入附加的微穿孔板,，該結構獲得了更高自由度的耦合作用調節(jié),，因此可以實現(xiàn)更寬頻的聲阻抗匹配,。此外，從圖3d的復頻率分析中可以看出,，若在該結構中增加少許內部損耗（可通過吸聲棉實現(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) 內插孔式亥姆霍茲共鳴器的吸聲系數隨厚度（L）的變化趨勢,。(b) 基于弱吸聲單元耦合的寬帶吸聲結構示意圖及實驗樣品。(c) 理論計算(線)和實驗測量(圈)的結構表面聲阻抗,。(d) 結構的理論(黑線)和實驗(黑圈)吸聲系數,。彩色線條表示25個獨立單元的吸聲曲線。

圖3 (a) 基于弱吸聲單元和穿孔板耦合的寬帶吸聲結構示意圖及實驗樣品,。(b) 結構的理論 (黑線)和實驗(黑圈)吸聲系數。藍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）的獨立吸聲曲線,。 (c) 理論計算(線)和實驗測量(圈)的結構表面聲阻抗,。(d) 結構復頻率分析。

該研究為設計新穎的超薄寬頻吸聲結構開辟了新的途徑,，也為廣泛的表面阻抗調控相關研究領域提供了一種新的設計思路,。該項工作得到中國國家自然科學基金（11704284, 11774265）,中國科協(xié)青年人才托舉工程（2018QNRC001）以及上海市浦江人才計劃（17PJ1409000）支持。