撰稿|由课题组供稿
近日，南京大学的赖耘教授课题组与麻省理工大学的Nicholas X. Fang教授课题组等研究人员合作，将各向异性的概念引入到三维折叠空间的系统中，提出了一种打开低频、宽频声子带隙的方法，并设计了既能隔音降噪，又能通风透气的三维声学超构笼子。通过能带和有效介质的理论分析，以及声学实验平台的测试，验证了声学超构笼子在低风速下稳定的隔音效果。该研究成果以“Three-dimensional Soundproof Acoustic Metacage”为题发表在《Physical Review Letters》上(Phys. Rev. Lett. 127, 084301 (2021))，并被选为编辑推荐(Editor’s Suggestion)。南京大学刘晨凯助理研究员为论文第一作者，南京大学博士生施锦杰，苏州大学赵伟博士为共同一作。通讯作者为南京大学的赖耘教授和麻省理工大学的Nicholas X. Fang教授。合作者包括南京大学刘晓宙教授、彭茹雯教授、王牧教授，苏州大学杭志宏教授、博士生周萧溪，美国威斯康辛大学麦迪逊分校Chu Ma助理教授，西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christensen教授。
隔音降噪在很多领域中具有重要意义，包括建筑设计、城市规划、交通运输等。但是传统的隔音降噪方法或多或少存在限制。在日常生活中，通风透气的需求也同样重要，无论对于散热、或保持室内的空气流动都有着不可替代的意义。要达到最佳的通风效果，在三个方向上都通风的笼子结构是一个很好的选择。然而，一般来说，硬材质的笼子结构无法抵挡声波的穿透。这点完全不同于可以用金属法拉第笼屏蔽的电磁波。这是因为声波具有和电磁波不同的纵波特性以及硬材质的特点。由于衍射效应，低频声波完全可以“挤”进缝隙和孔洞，可以说是无孔不入。这产生了生活中“未见其人，先闻其声”的普遍现象。
图1 (a)三维声学超构笼子的示意图。(b)原胞结构的透视图。(c)原胞结构的能带图。(c)相应的有效介质的频谱图。
有趣的是，近年来，基于声学超构材料让隔音降噪和通风透气同时实现成为了一个热点研究方向。近年文献中被提出的物理机制包括了：利用折叠空间/薄膜结构和直通道的透射波干涉相消，铺设了超表面的声学通道及阵列，以及多重Fano共振机制，等等。然而，至今为止，大部分研究仍在带宽、低频区间等方面有一定限制，而且主要聚焦于一维和二维的声学结构上。
在这项工作中，研究人员首先将各向异性的概念和折叠空间相结合，提出了一种新的低频和宽频隔音机制。他们设计了一种中心具有孔洞的面板，并将这种面板组合形成了既能隔音降噪，又能通风透气的三维声学超构笼子。面板中心开口孔洞连接着四支隐藏在面板内部的旁支管道，形成了一个各向异性的折叠空间结构(图1(b))。该面板结构在低频下沿着孔洞的方向上具有一个宽频的声子带隙(图1(c))，保证了隔音降噪的功能。最终笼子内部会形成一个静音区域，外界声波很难从孔洞“挤”入。研究发现，沿孔洞方向的声子带隙其实和面板平面内的能带折叠有紧密的内在物理联系。这个带隙也可以用负数的有效弹性模量参数和非正定的质量密度张量来解释(图1(d))。
通过有限元仿真软件计算，得到了一系列的透射损耗频谱，进而揭示了稳定的隔音降噪性能。如图2(a)所示，当面板层数为1时，透射损耗峰值出现在1000Hz附近，并且随着层数的增加，带宽会迅速扩大。图2(b)展示了透射损耗不受入射角度的影响。图2(c-d)展示了隔音降噪的最低频率(f0)由旁支管道的长度L决定，长度越长，频率越低；隔音降噪的带宽由中心孔洞的直径决定，直径越小，带宽越大。因此，在固定面板大小和厚度的前提下，通过调节参数，宽带隔音降噪的功能理论上可以在任意低频率实现。这个宽频带隙的物理机制不仅不同于普通的亥姆赫兹共振腔，而且也突破了常见的Fano共振的解释范畴。
图2 (a)不同面板层数的透射损耗频谱图。(b)不同入射角度的透射损耗频谱图。(c)透射损耗随频率和管道长度变化的轮廓图。(d)透射损耗随频率和孔洞直径变化的轮廓图。
实验上，利用声学阻抗管，得到了与仿真结果吻合的透射损耗数据，验证了超构笼子面板的隔音降噪性能。样品由树脂构成，通过3D打印技术制备。然后，研究人员将6个2x2原胞的面板组合起来，制备了一个三维超构笼子结构，并利用家用风扇引入气流，测试超构笼子在小气流影响下的隔音降噪性能(图3(a-b))。声音由固定位置的扬声器发出，在改变风扇位置和取向的不同情况下，利用麦克风测量笼子内外不同位置处的声强，如图3(c-e)所示。其中笼子内部范围是（-70mm,70mm）。实验（红点）和理论（红线）符合得很好。结果表明，即使在复杂的小气流环境中，该三维超构笼子能够有效地阻挡外部的噪音进入内部空间，实现了既隔音降噪，又通风透气的功能。作为对比参考物，普通的硬笼子则完全不具备任何隔音效果，甚至会因为共振导致笼内声场增强（图3(c-e)中的蓝线和蓝点）。
图3 (a)声学实验的示意图。(b)声学实验的照片。(c),(d),(e)分别表示了无风，侧风，顺风等不同气流场景下，不同空间位置的测得声强图。笼子内部范围是（-70mm,70mm）。
在这个工作中，研究人员将各向异性与折叠空间相结合，提出了一种实现低频、宽带的声子带隙的方法，并设计了一种三维超构笼子，最终验证了既隔音降噪，又通风透气的功能。该物理机制为传统的低频降噪领域提供了新的思路。
该研究成果近期以“Three-Dimensional Soundproof Acoustic Metacage”为题发表在了Physical Review Letters上(Phys. Rev. Lett. 127, 084301 (2021))，并被选为编辑推荐(Editor’s Suggestion)。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.084301
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