撰稿|由课题组供稿
正常生产环境中，设备所产生的频谱并不完全具有宽频特性，在低频部分往往由离散的窄带组成，而在高频则由宽带组成。传统的声学超材料往往追求宽频的声学特性，而忽略了实际生产过程中，针对设备的频谱，进行轻量化定制隔声。
近日，东南大学张辉教授团队，提出了一种应用于电子设备的可定制声学超材料隔声屏障(CAMB)。通过将高频隔声元件微穿孔板(MPP)和低频隔声元件亥姆霍兹谐振器(HR)进行合理设计，建立噪声频谱与几何参数之间的联系。该方法仅使用两种不同类型的单元设计结构，可根据特定的噪声源的频谱特性，实现可定制的智能隔声。相关成果以“Customizable Acoustic Metamaterial Barrier with Intelligent Sound Insulation”为题发表在《Physical Review Applied》上 。
(DOI:10.1103/PhysRevApplied.18.064029)
工业设备在正常使用过程中，其噪声频率成分并不均匀，由于设备内部各零件在运行过程中具有不同的特征频率，其频谱特性往往由离散的低频成分和连续的高频成分组成。因此，为了在工业条件下实现轻量化，超材料设计不再完全追求宽带的隔声性能，而是实现可自由设计的选择性隔声性能，针对不同的设备所产生的特定噪声频谱，定制不同的结构进行智能隔声。
定制超材料的设计思路首先测量目标设备的噪声，进行频谱分析，根据频率曲线得到特性低频峰(FLFP)和特性高频谷(FHFV)，这些特性频率代入低频和高频超材料设计库，得到结构参数设计，最终形成具有定制隔声的超材料模型。
图1 可定制超材料设计思路
结构设计如图2所示，首先，基于传统的微穿孔板的高频隔声特性以及亥姆霍兹谐振腔的低频谐振特性，构建隔声模型。调整微穿孔板和亥姆霍兹腔的几何尺寸以及数量，可以调整隔声超材料的隔声谱的特性，控制隔声效果。
图2 基本结构
在低频参数设计过程中，亥姆霍兹谐振腔由原来的柱状结构变为扇形结构，因此需要分析喉管部分的变截面参数对于亥姆霍兹谐振腔谐振时的效果。可以得到拟合有效半径和实际喉管长度的关系。通过该关系，反向设计超材料的低频部分。得到如图3中的效果，不论是单个腔体设计还是耦合设计，都能够在目标频率内实现低频隔声的效果。
图3 低频超材料设计库
由于HR与背腔之间存在一段空气柱。因此在计算MPP的谐振频率时，我们将它等效为一小段声质量，且在这个过程中我们发现，该声质量在声学系统中并不随频率而改变。依据马大猷先生提出的公式因此我们得到如下关系：
基于以上公式，计算MPP的共振频率，如图4所示，与有限元仿真进行对比，两者吻合较好。
图4 高频超材料设计库
利用前述参数库，我们设计了如图5所示的CAMB。在声阻抗管测试系统中，对加工的样品进行测量，得到如图所示的结果。显然，在不同局域谐振单元的作用下CAMB同时实现了对低频和高频的噪声选择性隔声。
图5 实验测试结果
进一步，我们用声级计采集了一段由特定设备产生的噪声，并采用接近人耳的主观感觉的A计权进行测量经过CAMB后的声压级。在此条件下，我们得到了较为平滑的声压级谱图。这也证明了我们所设计的CAMB的有效性,以及潜在的工业应用价值。本方法仅使用了两种不同的声学器件，实现了可定制的声学超材料，可针对不同设备产生的特殊频谱实现超材料的定制化设计，结构简单，易于实现。
本研究通过设计不同隔声元件组成复合结构，提出了一种针对具体设备噪声频谱的可定制隔声超材料屏障。测量证明，该模型仅需要确定关键几何参数，即可根据噪声的频谱特性，定制声屏障隔声曲线，适合在工业环境中使用。
该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的支持。东南大学张辉教授、朱一凡副研究员为本工作的通讯作者，东南大学硕士生苏梓豪、骆号中级工程师为论文的共同第一作者。
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.064029
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