撰稿|由课题组供稿
近日，来自Meta的赵楚明博士和美国宾夕法尼亚州立大学（PSU）的景云教授课题组，在AR/VR头戴设备的音频模块内部, 提出了超材料-换能器共振耦合的机理，实现了在低音范围（50–700 Hz）内3–7 dB的宽频带声压级改善。通过精心设计超材料-换能器共振耦合, 声学超材料不仅可以在超材料的固有共振频率附近增强扬声器的电压灵敏度, 还可以将增强延伸到更低的换能器共振频率。这项研究不仅为在不增加尺寸的情况下改善扬声器模块质量提供了有效的途径，还是一个声学超材料研究解决音频行业难题的重要里程碑。该工作以 “Metamaterial-Augmented Head-Mounted Audio Module” 为题，于2023年8月15日发表在Advanced Materials Technologies上。
在音频工程中，提高音频设备的声辐射能力是一个引人注目的课题。在不增加设备尺寸的情况下提升音量或功率效率仍然极具挑战性。随着头戴式显示设备迷你化的趋势，能量预算也变得非常有限（小型电池），扬声器模块被限制在一个更小的空间内，低频辐射更加具有挑战性。在20 Hz 到1 kHz的低频范围内，迫切需要一种紧凑的音频模块，能够在AR/VR设备上以较低的功率损耗来产生较高的声压级。
如何调节有效的超材料-换能器共振耦合是该研究的核心。当声学超材料被引入平板波导，波导的共振频率会靠近换能器的共振频率，所以它们之间的共振耦合必须考虑在内。如图1所示，通过调节声学超材料的隔板距离d可以观察到, 采用太小的d虽然能使得我们得到更低的超材料共振频率，但是也会导致电压灵敏度在换能器的共振频率附近变差。由单自由度振动理论推导可以得知，太小的d会导致换能器共振引入的附加质量过大，从而抑制声场辐射能力。在这种情况下，我们需要在降低超材料共振频率和减小换能器共振引入的附加质量之间保持平衡，因为这两者都可以在较低频率下改善声辐射。
研究团队通过完全耦合的电-机械-声学数值模拟和实验测量(图2)，证明了在d=8mm的情况下，超材料-换能器共振耦合能够提高换能器和超材料的共振频率附近的振膜振幅，从而实现宽带范围内的电压灵敏度提升。通过计算和测量电阻，功率灵敏度在宽带范围内也得到了提升。
图1 a) 音频模块的方块图，仅包括带有超材料的前置端口。b) 仿真得到的音频模块的电压灵敏度。在厚度T=5.0 mm的空波导中引入不同隔板距离d的超材料。c) 与T=5.0 mm的空波导相比的电压灵敏度改善情况。
图2 在激励信号为0.1 Vrms下，在自由场中测量a)电压灵敏度和b) 振膜振幅与电阻抗的示意图。c) 电压灵敏度的模拟和测量结果，d) 扬声器振膜中心的行程的模拟和测量结果，e) 电阻抗实部的模拟和测量结果，以及f) 每0.1 W功率灵敏度的模拟和测量结果。实线为理论结果，虚线代表测量结果。黑线是没有超材料，绿线是有超材料且d=8mm。
在利用声学超材料的基础研究解决实际音频行业难点的方面，该研究迈出了重要一步，这将有益于消费电子和增强现实/虚拟现实技术。
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