如果您住在火车线路附近，您就会知道过往列车的轰鸣声不仅令人烦恼，还会损害您的健康。其中，交通繁忙的铁路沿线对附近居民来说尤其令人不安。传统的高噪音屏障可以提供帮助，但它们在城市地区并不总是实用。通常高度小于1米的低高度声屏障（LHNB）可能是一个不错的选择。这些屏障效果很好，因为它们可以放置在非常靠近噪声源的位置，例如火车车轮与铁轨相互作用的地方，如下图所示。
然而，为了使这些屏障发挥最佳作用，它们的表面需要能够很好地吸收声音。在这里，声学超材料可以发挥关键作用。这些人工结构具有天然材料所缺乏的独特特性，使它们能够以传统材料难以吸收的方式吸收声音。它们的功能取决于它们的几何配置，而不仅仅是所使用的原材料，这使得它们能够由耐候和防尘材料制成。
低高度声屏障（LHNB）的有效性。颜色代表声压级：红色表示最高噪声级，蓝色表示最低噪声级。左侧是轮轨交互产生的噪声。中图显示了通用LHNB的有效性。右侧是经过优化的吸音LHNB实现的降噪效果。红色越少，LHNB就越有效。
此项研究是欧盟项目LIFE SILENT（宁静生活）的一部分，研究了超材料与特定类型的低高度声屏障的整合。它采用两种类型的声学谐振器，这些谐振器是在实际场景的约束下设计的：颈部嵌入式亥姆霍兹谐振器（NEHR）和法布里-佩罗（FP）通道。将这些谐振器组合在一起，使LHNB能够减轻铁路噪声。
设计这些复杂的结构需要整个过程。通过复杂的模拟和受自然启发的算法相结合，研究了超材料的最佳几何形状。具体来说，使用一种称为“粒子群”的计算技术对几何结构进行了优化，该技术的灵感来自鸟群和鱼群的社会行为。
由于需要定制和精度，超材料单元的原型是用塑料3D打印的。一旦测试了超材料的效率，也可以通过传统的工业成型技术实现优化几何形状的批量生产，从而在现实世界中实现。
3D打印超材料NEHR（左）和FP（右）示例，它们是构成吸声LHNB表面的单元。
此项工作展示了超材料工程如何应用于日常生活中。该研究解决了实际限制和约束、对户外条件的耐用性需求以及制造复杂结构的挑战。该研究概述了通过开发重点设计、创建物理原型和进行测试，从实验室概念过渡到可能大规模生产的解决方案来应对噪声污染的基本步骤。在认识到制造精度和实际条件影响等挑战的同时，该项目强调声学超材料可以设计为坚固且有效地用于公共基础设施，为它们的实际应用铺平道路，以改善日常生活。
内容来源：比翱科技集团
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