近日，印度国防研究与发展组织青年科学家实验室及印度理工学院马德拉斯分校的研究团队在《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）发表成果，提出一种变截面微狭缝耦合迷宫式通道的声学超材料，显著提升低频段吸声性能。
低于 1000Hz 的低频噪声在工业机械、交通等场景中普遍存在，但传统声学材料（如多孔材料、微穿孔板）需达到声波波长四分之一的厚度才能有效吸声，实际应用受限。声学超材料虽通过 “空间卷曲” 设计实现亚波长厚度吸声，但其传统迷宫式结构因微狭缝截面均匀，在低频段存在吸声带宽窄、吸声量衰减的问题，难以满足实际需求。
图1（a）普遍研究的迷宫式声学超材料三维示意图，包含迷宫状矩形腔体和嵌入外板的微狭缝波入口；（b）该结构在 xy 平面的横截面图。
微狭缝长度减小对吸声峰值频率、吸声量及吸声带宽的影响曲线
研究团队创新性地将微狭缝的均匀矩形截面改造为正弦曲线变截面，其宽度沿波传播方向按公式变化（y为波传播方向，A为正弦振幅）：
这种变截面设计的核心优势在于：当声波通过微狭缝时，狭窄区域的粘性边界层面积扩展，流体阻力增加，从而通过粘性耗散机制耗散更多声能；剩余能量则在迷宫式空气通道内通过热机制进一步耗散。与传统均匀截面微狭缝相比，新设计在低频段的吸声性能得到显著提升。
微狭缝横截面示意图，其宽度沿波传播方向（y 轴）按正弦关系变化
微狭缝的横截面图，展示了一个距前板入射平面距离为y、宽度为d’s、厚度为dy的微元
研究团队通过理论分析和数值模拟对新型超材料的吸声性能进行了系统研究。理论模型推导了包含变截面微狭缝和迷宫式通道的超材料表面阻抗，并结合亥姆霍兹共振器和声波传播理论，建立了吸声系数的计算方法，证明变截面设计可通过调节振幅A提升吸声峰值与带宽，且峰值频率偏移极小。
基于双麦克风测试装置的阻抗管示意图，用于模拟吸声系数测量
微狭缝正弦曲线振幅（A=0.10mm，A=0.40mm）对超材料吸声系数影响的理论与数值模型结果对比
变截面微狭缝超材料（宽度按振幅A=0.4mm的正弦曲线变化）与传统均匀截面微狭缝超材料（df=0.4mm，lf=5.5mm）的吸声系数对比曲线，两者在300Hz处具有相同峰值频率。
数值模拟采用 COMSOL Multiphysics 软件进行三维有限元分析，结果显示：当A=0.4mm时，300Hz处吸声系数从传统设计的0.55提升至0.83-0.87，吸声带宽（α≥0.5 时）从 38Hz 扩展至 55Hz，增幅达 60%。声波流速模拟表明，变截面微狭缝入口与出口处的流速梯度显著增大，能量耗散效率更高。
研究团队进一步测试 8 单元周期阵列结构，发现其在保持 300Hz 共振频率的同时，吸声量达到传统设计的近两倍。此外，通过调节微狭缝的宽度与长度，该超材料可在 1000Hz 以下任意低频段实现理想吸声。例如，当微狭缝长度 lf=3mm时，低频段（＜350Hz）吸声系数较传统设计显著提升，验证了设计的灵活性。
周期性排列单元超材料的计算机生成三维模型示意图：(a) 包含八个单元的迷宫腔体部分；(b) 嵌入传统或改进型微狭缝（宽度df、长度lf）的外板。
超材料与传统超材料吸声系数的理论与数值结果对比曲线。
该研究为低频宽频吸声材料提供了新路径，可应用于工业设备降噪、建筑隔音、交通工具减振等场景。未来，团队计划将变截面微狭缝与多狭缝布局、腔体通道优化等技术结合，进一步拓展吸声带宽与效率。
论文信息：Ramachandran, V. P., & Rajagopal, P. (2025). Labyrinthine type acoustic metamaterial with micro-slit wave entry of varying cross section for low frequency and broadband sound absorption. J. Appl. Phys., 137(23), 233101. https://doi.org/10.1063/5.0263902
内容来源：21dB声学人
