近日，南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰教授、卢明辉教授团队提出了一种微尺度薄壁宽带吸声谐振器，在微观尺寸实现了高效的声波吸声性能。相关工作以“Microscale thin-walled acoustic resonators for broadband sound absorption”为题发表于期刊《Physical Review Applied》上。南京大学现代工程与应用科学学院23级博士生李星为论文的第一作者，南京大学卢明辉教授和黄唯纯副研究员为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授给予了重要指导，南京大学的徐锐、闫明园、李治含、潘鑫荣、余勇花对本文也有重要贡献。
声学超构材料因其在声音控制领域的独特性能而引起了广泛关注。与传统的声音吸收材料相比，声学超构材料通过利用亚波长结构的共振效应，不仅能够在更小的体积内达到更高的声音吸收效果，而且具有设计灵活性，可以在特定的频率范围内进行精准的声音控制。这些特性使得声学超材料在噪声控制、声学隐身、建筑声学、以及其他精密声学设备中展现出巨大的应用潜力。
声学超构材料在宏观尺度上已经取得了显著的研究进展，然而微尺度下的高效吸声仍然面临着显著的挑战。在狭窄的管状结构中，壁厚的限制使得谐振器的性能难以继续提升，尤其是在微尺度下，声波传播主要受到热损耗和粘性损耗的影响。在窄管中，热粘性效应会影响声波通过边界层的行为，使其性能受限。
图1 单个FP谐振器模型。(a)结构由不同长度的直管组成。FP的横截面为方形。(b)表面附近的流体速度和温度分布，其中封闭区域表示粘性边界层（dv）和热边界层（dt）。空白区域代表空气腔。
在本研究中，作者提出并验证了一种微尺度薄壁声学谐振器的极端吸声理论模型，该模型通过考虑粘滞和热损耗机制，实现了在制造限制下的最小截面尺寸设计。研究中设计的微尺度薄壁声学谐振器具有截面尺寸（≤ 2 mm）和壁厚（≤ 300 μm）。利用损耗方程和分析模型，系统地确定了最佳吸声效果所需的截面尺寸，并揭示了微尺度窄管谐振器的物理机制。并且通过该机制可表明，当法布里-珀罗管的横截面减小到一定程度时，其声学特性可以与多孔材料相类似。通过优化谐振器的尺寸和最小化壁厚，同时不牺牲吸声效率，研究实现了高效的声学性能。进一步地，通过减少谐振器的尺寸并优化壁厚，设计实现了紧凑性，同时保持了优异的吸声能力。理论分析与数值模拟结果表明，单个及多个法布里-珀罗耦合谐振器在弱耦合共振机制的作用下，能够实现宽带准完美吸声效果。研究证实了薄壁谐振器在微尺度下实现极端吸声性能的潜力。
图2 (a)1200 Hz下粘性能量损耗与热能损耗的分布情况。(b)临界损耗与传输损耗交点所代表的最佳损耗状态。(c)参数变化对吸收系数的影响。(d)在刚性微尺度薄壁边界条件下，不同共振频率对应的最小FP边长。
图3 (a)在1200Hz下，分析了FP管的相对带宽f /fm与孔隙率比a/b之间的关系。(b)耦合模式与狭窄区域声学理论的对比。(c)1200 Hz最佳吸收系数对应的FP管边长(MTWR1)。(d) 1200 Hz最佳吸收系数对应的FP管边长(MTWR2)。
图4 (a)标记为“MTWR1”和“MTWR2”的样品。(b)MTWR1的阻抗分布图。(c)MTWR1的宽带复频平面图。(d)在1200-2700赫兹频段实现准完美吸收。(e)MTWR2的宽带复频平面图。(f)MTWR1与MTWR2的质量因子对比。(g)分别为MTWR1和MTWR2在1200 Hz与2700 Hz处的频率响应声压图。(h)MTWR2结构的厚度减小示意图。
图5 (a)测量装置示意图。(b)MTWR1的实验数据、理论推导及仿真结果对比。(c)直型MTWR2与折叠型MTWR2谐振器结构示意图。(d)MTWR2的实验数据、理论推导及仿真结果对比，同时包含折叠型与直型MTWR2的性能对比。
作者提出了一种具有宽带高效吸声性能的微尺度薄壁声学谐振器，该设计经过理论分析与实验验证。该研究架起了宏观与微观谐振器之间的桥梁，优化了频率响应，以满足实际应用需求。该设计的谐振器具有小于或等于2 mm的横截面尺寸，壁厚不超过300 μm。通过整合不同长度的谐振器并考虑热粘性效应，所设计的理论模型深入分析了超结构中的损耗机制。通过调整法布里-珀罗管的横截面尺寸，设计了两种新型谐振器。实验结果验证了这两种谐振器均具有超宽带吸声特性，为噪声控制和声学应用提供了紧凑且高效的解决方案。
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。需注意的是，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。
该研究得到了国家重点研发计划（2021YFB3801800和2021YFB3801805）、国家自然科学基金（92263207）、2024常熟（苏州声谷创新基金）专项项目（Changkehe [2024] 13）的资助和支持，以及感谢摩方精密为我们的研究提供了宝贵的技术支持和设备保障。
文章链接
X. Li , R. Xu, M.Y. Yan, Z.H. Li , X.R. Pan, Y.H. Yu, W.C. Huang, M.H. Lu, Y.F. Chen. Microscale thin-walled acoustic resonators for broadband sound absorption. Physical Review Applied, 2025, 23(6): 064044.
https://doi.org/10.1103/qlby-kfwm
快讯作者：李星
