2023-03-07
3月6日，我校物理科学与工程学院声学研究所李勇教授课题组和祝捷教授课题组合作研究成果以“Meta-silencer with designable timbre”为题发表在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing）上。该研究提出了一种可定制设计宽带降噪曲线的超构消声器。团队研究了多共振模式的耦合效应，发现强全局耦合可以有效抑制共振的色散，并基于这一结果提出了可定制降噪曲线的超构消声器设计方案。设计开发的超构消声器可在500-3200Hz频率范围内兼顾透射音色调控和降噪性能，展现了优异的共振色散抑制和频段选择能力。 音色是声音的基本属性，与其宽频特性密切相关。要实现音色的灵活调节，需要相应的声学结构具有宽频模态调节能力。而传统声学共振结构往往具有固定的色散特性，限制了其对宽频声波的调控能力，因此如何设计结构声学材料实现音色调节仍是声学研究中的一个挑战。近年来，声学超构材料为解决这一挑战提供了新的思路。研究团队构建了由金属泡沫、穿孔板和多个内嵌管式亥姆霍兹共振单元（NEHR）组成的超构消声器（图1a），并使用声波导管设备（图1b）验证超构消声器的吸声降噪和音色调控性能。研究团队基于模耦合理论和模式匹配方法，建立了声学超构消声器中存在的全局耦合效应和声透射损失的理论模型，分析了透射损失（TL）与模式密度及频率之间的关系（图2），并最终提出利用调控强全局效应来实现音色设计的理念。最终研究团队具体设计了不同设计目标的超构消声器来验证以上理论模型和所提出的理念，证明了其不仅支持高模式密度，还可在不同倍频内具有特定的模式密度分布。其中具有深亚波长厚度（5.35cm）的超构消声器在500-3200Hz频率范围内实现了平均28.4dB、最小10dB的透射损失的声衰减效果（图3）。厚度为4.34cm的第二类超构消声器可将500-3200Hz的TL限制在12dB左右（图4）。而厚度为4.44cm第三类超构消声器则通过在500-3200Hz范围内设计音色，即在不同频率范围内实现高度可控的降噪量曲线，最终实现了减轻基频音（500-930Hz）、突出第一泛音（930-1720Hz）和缄默第二泛音（1720-3200 Hz）的音色效果（图5）。关闭窗口图1（a）超构消声器示意图。（b）声波导管实验设备。
图2（a）宽频范围内不同模式密度的透射损失（TL）。（b）稀疏、中等和密集模式密度的典型情况的TL曲线。
图3高效声衰减性能的超构消声器。（a）超构消声器理论和实验的TL。（b）超构消声器在声波掠入射下的理论和实验的透射、吸收和反射系数。插图为实验样品图。（c）超构消声器的理论和实验的声阻抗。（d）超构消声器声压幅值|p|的理论结果。
图4声衰减效率可控的超构消声器。（a）超构消声器的理论和实验的TL。插图为实验样品图。（b）超构消声器的理论和实验的声阻抗。
图5可设计音色的超构消声器。（a）超构消声器理论和实验的TL。插图为实验样品图。（b）超构消声器在声波掠入射下的理论和实验的透射系数。（c）超构消声器的理论和实验的声阻抗。（d）超构消声器声压幅值|p|的理论结果。 我校物理科学与工程学院声学研究所博士研究生王能银、周成程为论文共同第一作者，香港城市大学博士后黄思博博士、同济大学祝捷教授和李勇教授为论文共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、上海市科委、中国香港特别行政区大学教育资助委员会/研究资助局资助。 论文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/acbd6d
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