3月6日，我校物理科學(xué)與工程學(xué)院聲學(xué)研究所李勇教授課題組和祝捷教授課題組合作研究成果以“meta-silencer with designable timbre”為題發(fā)表在《極端制造》（international journal of extreme manufacturing）上。該研究提出了一種可定制設(shè)計(jì)寬帶降噪曲線的超構(gòu)消聲器。團(tuán)隊(duì)研究了多共振模式的耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)全局耦合可以有效抑制共振的色散，并基于這一結(jié)果提出了可定制降噪曲線的超構(gòu)消聲器設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的超構(gòu)消聲器可在500-3200hz頻率范圍內(nèi)兼顧透射音色調(diào)控和降噪性能，展現(xiàn)了優(yōu)異的共振色散抑制和頻段選擇能力。
音色是聲音的基本屬性，與其寬頻特性密切相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)音色的靈活調(diào)節(jié)，需要相應(yīng)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)具有寬頻模態(tài)調(diào)節(jié)能力。而傳統(tǒng)聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)往往具有固定的色散特性，限制了其對(duì)寬頻聲波的調(diào)控能力，因此如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)聲學(xué)材料實(shí)現(xiàn)音色調(diào)節(jié)仍是聲學(xué)研究中的一個(gè)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，聲學(xué)超構(gòu)材料為解決這一挑戰(zhàn)提供了新的思路。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由金屬泡沫、穿孔板和多個(gè)內(nèi)嵌管式亥姆霍茲共振單元（nehr）組成的超構(gòu)消聲器（圖1a），并使用聲波導(dǎo)管設(shè)備（圖1b）驗(yàn)證超構(gòu)消聲器的吸聲降噪和音色調(diào)控性能。研究團(tuán)隊(duì)基于模耦合理論和模式匹配方法，建立了聲學(xué)超構(gòu)消聲器中存在的全局耦合效應(yīng)和聲透射損失的理論模型，分析了透射損失（tl）與模式密度及頻率之間的關(guān)系（圖2），并最終提出利用調(diào)控強(qiáng)全局效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)音色設(shè)計(jì)的理念。最終研究團(tuán)隊(duì)具體設(shè)計(jì)了不同設(shè)計(jì)目標(biāo)的超構(gòu)消聲器來(lái)驗(yàn)證以上理論模型和所提出的理念，證明了其不僅支持高模式密度，還可在不同倍頻內(nèi)具有特定的模式密度分布。其中具有深亞波長(zhǎng)厚度（5.35cm）的超構(gòu)消聲器在500-3200hz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了平均28.4db、最小10db的透射損失的聲衰減效果（圖3）。厚度為4.34cm的第二類(lèi)超構(gòu)消聲器可將500-3200hz的tl限制在12db左右（圖4）。而厚度為4.44cm第三類(lèi)超構(gòu)消聲器則通過(guò)在500-3200hz范圍內(nèi)設(shè)計(jì)音色，即在不同頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度可控的降噪量曲線，最終實(shí)現(xiàn)了減輕基頻音（500-930hz）、突出第一泛音（930-1720hz）和緘默第二泛音（1720-3200 hz）的音色效果（圖5）。
圖1（a）超構(gòu)消聲器示意圖。（b）聲波導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
圖2（a）寬頻范圍內(nèi)不同模式密度的透射損失（tl）。（b）稀疏、中等和密集模式密度的典型情況的tl曲線。
圖3高效聲衰減性能的超構(gòu)消聲器。（a）超構(gòu)消聲器理論和實(shí)驗(yàn)的tl。（b）超構(gòu)消聲器在聲波掠入射下的理論和實(shí)驗(yàn)的透射、吸收和反射系數(shù)。插圖為實(shí)驗(yàn)樣品圖。（c）超構(gòu)消聲器的理論和實(shí)驗(yàn)的聲阻抗。（d）超構(gòu)消聲器聲壓幅值|p|的理論結(jié)果。
圖4聲衰減效率可控的超構(gòu)消聲器。（a）超構(gòu)消聲器的理論和實(shí)驗(yàn)的tl。插圖為實(shí)驗(yàn)樣品圖。（b）超構(gòu)消聲器的理論和實(shí)驗(yàn)的聲阻抗。
圖5可設(shè)計(jì)音色的超構(gòu)消聲器。（a）超構(gòu)消聲器理論和實(shí)驗(yàn)的tl。插圖為實(shí)驗(yàn)樣品圖。（b）超構(gòu)消聲器在聲波掠入射下的理論和實(shí)驗(yàn)的透射系數(shù)。（c）超構(gòu)消聲器的理論和實(shí)驗(yàn)的聲阻抗。（d）超構(gòu)消聲器聲壓幅值|p|的理論結(jié)果。
我校物理科學(xué)與工程學(xué)院聲學(xué)研究所博士研究生王能銀、周成程為論文共同第一作者，香港城市大學(xué)博士后黃思博博士、同濟(jì)大學(xué)祝捷教授和李勇教授為論文共同通訊作者。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、中國(guó)香港特別行政區(qū)大學(xué)教育資助委員會(huì)/研究資助局資助。
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