前沿 | 微腔降噪突破：薄壁谐振器攻克毫米级空间声波控制

在微尺度上实现极端的声吸收是声学系统中的一个重大挑战。声学超材料凭借其独特的局域共振效应，在声波吸收方面展现了非凡的能力。然而，在微尺度下，特别是在狭窄的管道结构中，粘性和热损失效应显著影响了吸收效率。针对这一问题，本文提出并实验验证了一种理论模型，旨在解决微尺度薄壁谐振器中的极端声波吸收问题。

该模型通过利用粘性和热损失机制，成功地实现了制造限制下的最小横截面尺寸，设计出横截面尺寸为≤2mm和壁厚为≤300um的微型谐振腔。通过建立微尺度Fabry-Pérot共振器的理论模型，结合热粘性模型，分析了这些共振器的最优尺寸和声学行为。

进一步地，通过耦合多个不同长度的FP谐振腔，拓宽了吸声频带。研究团队通过3D打印技术制作了所设计的结构并进行了实验验证。实验结果与理论和仿真结果高度一致，确认了设计的有效性。

图1：单个FP共振器的几何结构，以及影响声波传播的粘性和热边界层

图2：宽带吸收的效果以及理论与实验结果的对比

本研究证实了微尺度薄壁谐振器在高效声波吸收方面具备巨大潜力。依托团队已掌握的设计原理与方法，未来可积极开拓其应用领域。尤其值得注意的是，这类微尺寸吸声体在空间受限的复杂环境中展现出独特优势，例如电路板噪声控制、手机壳体内的噪声抑制，以及微型扬声器的声波精细调控等。随着微型化技术的发展，微尺度薄壁谐振器将为需要高精度声学性能且空间有限的应用场景（如精密制造、高端消费电子等）提供极具竞争力的高效、紧凑声学解决方案。通过结合先进的微纳米3D制造技术进一步优化设计，该谐振器有望在更多微型化、高性能的声学控制与噪声抑制系统中实现广泛应用。

南京大学博士研究生李星为本文第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院卢明辉教授和黄唯纯副研究员为论文通讯作者。