撰文|刘乐
导读
传统的声学屏障在阻隔声的同时也阻碍了空气的流动，近年来声学超构表面的发展则为设计一种既隔声的同时也具有通风性能的声学屏障提供了可能。近日，来自同济大学的科研人员提出并实现了一种宽频通风的亚波长（约为波长的八分之一）平面式的声学屏障，其结构由中心的通孔和周围两个具有渐变斜度的螺旋叶片组成。由于角状螺旋路径的影响，系统单极和偶极模式在感兴趣的频域内几乎都能保持平衡，从而实现在900-1418Hz内90%以上的入射声能都被有效地阻挡。实验结果证实了该设计，与理论的预测和仿真均符合良好，这种设计可以用于同时具有天然通风和噪声消除的绿色建筑中，研究发表在物理学期刊《Physical Review Applied》上。
传统声学屏障在隔声的同时也阻碍了空气的流动，在实际的生活中总有一些场景需要噪声的消除也希望空气能流动顺畅，在追求隔音但又能空气流动的屏障时，通常的想法是设计一个窗户，以允许带有吸收性衬里或穿孔隔板的曲折气流路径，在实际中，更弯曲的路径支持更充分的降噪，继而带来更大的压降，导致较差的通风效果。因此，我们需要在通风效率和降噪之间进行权衡。基于类法诺共振的超构材料可以在保证噪声被阻隔的同时具有良好的通风效果，然而这种局域共振只能在狭窄的相消干涉频率附近工作，实际上生活中的噪声是具有很宽的频率范围，因此设计一种宽频通风的声学屏障仍是一项挑战。
本研究中设计了一种由通孔和两个螺旋叶片组成的隔声单元，中心的通孔作为确保空气可以充分流通的通道，而周围两个渐变的螺旋前进的通道与一般类法诺相消干涉的窄带频率响应不同，可以保证在需要的频域内表面单，偶极子模式响应平衡，从而可以实现宽频带的噪声消除同时具有较大的空气流通。图一（a）是设计原理的示意图，对于这样一个轴对称的二元单元模型，对于其不同的声学性质，可以用两种等效介质进行描述，图一（b）则是对结构单元在系统单极子模式和偶极子模式等强度响应可以达到隔声效果的简单证明，在这种耦合模式下可以实现900-1418Hz范围的入射声能在不同方向有效阻隔可以达到90%以上，同时由于结构厚度仅5cm，为波长的八分之一。图二（a）是设计单元的3D打印器件的照片，图2（b）是实验测试设备的示意图，就是一简单的阻抗管测传递损失的示意图，图2（c）则是理论结果（红线），仿真结果（黑色虚线），和测试到的传递损失（绿点）的对比图像。
图1（a）等效介质模型示意图。（b）等强度耦合模式隔声原理示意图。
图2（a）样品实际制备。（b）测试原理示意。（c）结构单元理论，仿真，实验测试传递损失对比图。
研究者理论上设计了一种平面式的亚波长厚度的声学屏障，该屏障可以工作在宽频率范围的同时是具备良好的通风效果，研究表明这种结构单元在调节其声学性质是具有很好的灵活性，在所需频率范围通过调试等强度的单极子模式和偶极子模式组成的杂化态可以获得良好的隔声性能，实验结果证明了该设计，亚波长的几何结构保证了单元可以在不同方向具有同样的操控声波的能力，该研究突破传统声屏障不通风和现有超构材料屏障窄带隔声的缺点，为解决绿色城市建筑的噪声问题提供了可能。同济大学物理科学与工程学院硕士生孙曼为第一作者，同济大学教授毛东兴，副教授王旭，研究员李勇为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金，中科协青年人才托举工程的支持。
文章链接
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.044028
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