近日，南京大学赖耘教授、刘晓宙教授团队，与苏州大学罗杰教授、香港科技大学Jensen Li教授合作，提出了一种全新的吸声超构材料—超构微穿孔板（meta-MPPs）。这一原创方案突破性地将传统微穿孔板技术与声学超构材料理念相结合，利用互易原理与腔体共振机制，在0.37–10 kHz 的超宽频范围内实现了近乎完美的全向声能吸收，其性能接近因果律所设定的理论极限。这一成果不仅在理论和实验上均得到充分验证，更重要的是，它首次展示了吸声器件能够在定向与全向模式之间灵活切换，开辟了声学吸收研究的新范式。相关成果以“From directional to omnidirectional: meta-devices for ultrabroadband sound absorption with near-causality-limit performance”为题，发表于国际权威期刊Materials Horizons（《材料前沿》）。南京大学施锦杰副研究员和苏州大学罗杰教授为论文共同第一作者，南京大学赖耘教授、刘晓宙教授与香港科技大学Jensen Li教授，以及苏州大学罗杰教授为共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省自然科学基金和香港研究资助局的支持。
声音，是人类认识世界的重要途径，却在现代社会悄然演变为一种最常见的“隐形污染”。无论是车水马龙的城市街道、机器轰鸣的工业车间，还是回声缭绕的室内空间，人们对安静环境的渴望从未停止。然而，传统的降噪材料却始终存在“短板”。例如，常见的微穿孔板腔体吸收结构在低频段几乎无能为力，带宽也相当有限。最近，多重共振超构材料设计大幅拓展了吸收频宽至接近因果律极限，但依然面临着结构复杂、精度要求苛刻、加工昂贵等挑战。因此，如何打造一种能覆盖超宽频段又足够鲁棒耐用的吸声材料，长期以来一直是声学领域最棘手、最具挑战性的科学难题。
研究团队提出了一种全新的吸声设计思路：不再主要依赖共振设计，而是利用互易性原理设计meta-MPPs，实现了超宽频角度不对称声吸收，如同构建了一扇具有方向选择性的声学窗，meta-MPPs的基本工作原理是将超薄微穿孔板按一定倾角周期排布（图1）。当声波从沿着微穿孔板倾斜方向射入时，由于微穿孔板占比很小且两侧声压相同，声波可以毫无阻碍地透过，几乎没有反射和吸收。互易性原理保证了声波从原反射方向上入射时同样没有反射，但在这个入射角上，声波却可以和微穿孔板发生强烈相互作用，从而被宽频吸收。模拟结果表明，这种设计在宽频范围内能保持极低的反射和极高的吸收，打破了人们对传统MPP腔体吸声结构“窄带”的固有印象。
图1.具有超宽频极端角度不对称声吸收的meta-Mpps概念和原理。
研究团队用钢制微穿孔板搭建了样品，并在消声室中用高斯波和点源入射测量。结果清晰表明：当声波从一侧进入时，几乎原样透过；从另一侧进入时，则被几乎完全“吃掉”。声场扫描的对比图就像揭示了一个“特定方向透波、特定方向消声”的神奇效果（图2）。
图2.能够实现宽频角度不对称声吸收的meta-MPP的实验证明。
进一步的研究让“meta-MPP”完成了蜕变：只需在背面加上一块硬板，它便不再区分方向，而是对来自各个角度的声波都展现出近乎完美的吸收效果。如果将二维设计拓展到三维空间，低频段的吸收能力还可以显著增强。图中给出的结果表明，meta-MPP在0.37–10 kHz的超宽频范围内实现了真正意义上的全向高效吸声，其厚度（10 cm）接近了因果律所预测的最小厚度（9.52 cm）（图3）。
图3.超宽频全向meta-MPP声吸收器。
研究团队在阻抗管中对样品进行测量（图4），结果发现meta-MPP的平均吸收系数高达0.92，几乎是传统MPP腔体吸收结构的两倍。从测量曲线中可以看到，无论是低频还是高频，meta-MPP都展现出远超普通吸声材料的性能，为应用奠定了坚实基础。
更令人振奋的是，meta-MPP不仅性能卓越，还极其“耐折腾”。即便将微穿孔排列打乱，或换成不同参数的材料，甚至随意改变倾斜角度，它依然能稳稳地保持优异的吸声效果。正因如此，meta-MPP是一种“宽容度极高”的设计，大幅降低了制造和推广的难度，也让其在复杂环境中的应用前景更加广阔。
图4. 超宽频全向meta-MPP声吸收器的实验证明。
本研究通过倾斜周期排列的超薄微穿孔板阵列，提出了全新的meta-MPP吸声机制，在超宽频范围内实现了接近因果律极限的高效吸声，并能在定向与全向模式之间切换。这一突破绕开了传统共振结构带来的窄带瓶颈，为声学超宽频吸收提供了新的设计思路。
这一成果不仅丰富了声学超构材料的理论体系，也展现了广阔的应用前景。meta-MPP兼具高性能与鲁棒性，适合低成本制造和规模化推广，在建筑与工业降噪、语音通信、声学隐身等领域均具备潜力，有望推动未来声学环境的优化与变革。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d5mh00404g
团队主页：
https://lailab.nju.edu.cn/Home.htm
撰稿|课题组
