供稿人：张童童、李涤尘 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-05-20
噪声污染已经成为影响人类和其他生物体的普遍和有害的问题，然而，以前的超材料或超表面大多是基于目标频率范围设计的固定结构，并且一旦制成就不能重新配置，从而限制了它们的通用性并与在各种场景中的应用。因此，需要开发一种声学超材料，其在吸声和空气通风系统中均表现出优异的宽带吸声，以满足各种环境中的各种降噪要求。
中国科学院大学的Mei Zhongjian 提出一种可重构的声学超材料，它由多个吸收模块堆叠而成，可以在封闭空间和通风系统中实现有效的宽带吸声。每个模块呈现出较宽的工作频带，并且可以通过修改模块的几何参数来调整吸收频率范围。此外，通过重新配置吸收模块，可以容易地定制声学超材料以实现期望的吸收光谱。为了说明设计概念，提出了一种由五层吸收模块组成的超材料，在450-2000 Hz范围内的平均吸收系数为0.92。在阶梯井底部保持开放的另一种情况下，超材料可用作通风屏障，允许气流循环并抑制650-2400 Hz范围内高达90%的声能。
图1 吸声结构的发展过程及不同方案对应的吸声系数曲线。(a)具有固定工作频带的串联耦合超材料吸收器，（B）具有多个工作频带的串联-并联耦合超材料吸收器和（c）具有可扩展工作频带的可重构模块化超材料吸收器
通过如图1（c）所示周期性地布置单个超材料来构建更大的结构。在吸声结构的中间是一个倒置的阶梯状井，每一个台阶对应一层声学模块，模块堆叠在一起。当阶梯井的底部是封闭端时，超材料可用作吸收器。对于在底部具有开口端的阶梯式井，超材料也可以用作通风消声器。随着堆叠模块的数量增加，较低模块的吸声性能不断提高。模块越多，超材料中间的阶梯井越深，下部模块的声电容增加越多，导致下部模块的吸收性能逐渐提高。
图2 (a)所设计的由五层模块组成的宽带超材料的示意图。(b)模块化超材料吸声曲线的理论计算与数值模拟
设计了由20个失谐HRET单元组成的五层模块化超材料，每层具有相同的厚度，通过理论计算和有限元模拟预测了模块化超材料的吸收系数。可以观察到，理论和模拟结果显示出良好的一致性，在450 Hz-2000 Hz的范围内获得的宽带吸收光谱，表现出约0.92的平均吸收系数。
图3（a） 宽带模块化超材料的实验验证。(a)3D打印原型照片和实验装置示意图。(b)实验测量和理论计算的超材料的声吸收谱。(c)实验测量和理论计算的归一化电阻和电抗的超材料
使用光固化技术制备样件后在阻抗管中进行吸声系数测试，在图3（c）中描绘了归一化为空气的特性阻抗的表面阻抗。归一化电阻和电抗曲线分别在[1,2]和[-1,0]范围内波动。这种良好匹配的声阻抗确保了在450 Hz和2000 Hz之间的持续高效吸收。本研究提出了一个模块化的概念框架，用于设计宽带声学超材料，提高其可复用性，可维护性，可扩展性和可开发性。