最近的研究表明，穿过超材料的声音会导致声品质指标的变化。此项工作研究了声传输条件下周期性微穿孔板（MPP）的内在物理特性与由此产生的心理声学指标（响度、尖锐度和语音清晰度等）之间的关系。进行了Sobol全局敏感性分析，以量化MPP参数变化（面板厚度、穿孔率、孔径和面板之间的空腔深度）对这些指标的影响。使用宽带和窄带噪声激励进行分析。数据趋势表明，MPP声学处理带来的心理声学效应对面板设置的特定参数表现出极大的依赖性。这也为材料设计提供了一种方法，其中所需的心理声学指标指导超材料的研制，以实现特定的声品质目标。
建筑空间声学的挑战
声音和材料之间的相互作用从根本上塑造了人们在众多环境中的日常生活中的声学体验。这种关系在建筑项目中尤为明显。例如，由日本建筑师Junya Ishigami设计的山东日照在水美术馆的特点是其美学选择带来了具有挑战性的声学环境。在大型、建筑风格引人注目的空间中，过度的混响往往会损害语音清晰度和声学舒适性，轻量化是保持建筑意图的有效声音控制解决方案的关键需求。
山东日照在水美术馆。内部空间受到强烈的回声
传统的声学处理吸收方法严重依赖多孔材料，虽然多孔材料有效，但通常需要大量的体积来实现所需的性能，特别是在较低的频率下。同样，为了降低声传输水平，仅使用壁结构来衰减声传输通常需要厚度相当大的致密材料。这一限制对当代建筑提出了重大挑战，因为空间效率至关重要。
超材料和微穿孔板
声学超材料已成为克服传统声学处理局限性的有前景的解决方案。超材料是具有独特性能的人工工程材料，使其能够以传统材料难以实现的方式操控声音，在噪声和振动控制方面提供了突破性的能力。
然而，理解材料的所测量声学特性与其对人类感知的影响之间的关系仍然很困难，在客观性能指标和主观体验之间造成了差距。尽管吸声系数和声传输损耗值提供了内在的、客观的测量，但心理声学指标，如响度、尖锐度和相对尺度的语言清晰度，更符合人类感知。客观和主观指标之间的这种不匹配限制了为人类舒适度和功能性优化声学环境的能力。物理声学测量和心理声学测量之间的差异给材料设计优化带来了重大挑战。
因此，此项研究的目标是使用客观和主观指标来评估声学超材料的性能，并量化材料设计变化的影响。一个特别有趣的是微穿孔板（MPP）的周期性设置，这是最简单但仍然有效的超材料配置之一。MPP由毫米范围内的薄板组成，带有亚毫米穿孔，通常由空腔支撑，以提供吸声或声传输损耗。它们的声学行为由四个主要参数决定：面板厚度（t）、穿孔直径（d）、空腔深度（d）和孔隙率（σ）。模型参数被限制在理论和制造约束的实际范围内。
微穿孔板图示，以及此项研究模拟中使用的周期性设置
此项研究同时使用了两种方法来表征MPP的性能，即MPP的分析模型和考虑声音激励的心理声学烦恼度相关模型。在这项研究中，MPP的周期性设置更为合适，因为主要考虑的是声传输问题，其中应去除刚性后端。在这种情况下，面板的数量为4，所有面板参数都是相同的，以限制所研究的参数数量。
全局敏感性分析的过程。在从客观和主观部分获得灵敏度指标后，将进行比较
随着模拟迭代次数的增加，灵敏度指数会收敛。索博尔指数N=512被选择用于这项工作，这对应于5120次迭代
灵敏度指示了不同激励频带频率下，来自面板厚度和孔径参数的声音质量度量、清晰度和速度的可分辨性，以及α和R参考值。使用DIN 45692的一系列宽带噪声
不同激励频带频率下，来自腔深和孔隙率参数的不同声品质指标的灵敏度指数。使用DIN 45692的一系列宽带噪声
总结
目前的灵敏度研究表明，MPP超材料的设计参数对其声品质有重要影响。值得注意的是，从结果来看，参数的重要性在频率和度量上存在很大差异。频率相关的转换发生在不同的点，而客观指标表现出一致的敏感性。因此，观察到内在物理特性（吸声系数、隔声量）和主观感知特性（尖锐度，语音清晰度）之间的差异。超材料和人类感知之间的复杂关系仍有待以这种方式发现。
设计声学超材料的传统方法通常依赖于物理和数学建模、计算声学模拟，并最终使用物理量的声学测量。尽管这种设计方法具有鲁棒性，但它并不能完全代表声学超材料的感知质量。这项研究表明，从物理测量中获得的结果可能是片面的，因为它们不会根据输入的声音信号而变化。然而，在心理声学中，声音激励在很大程度上决定了代表人类感知的声音质量指标。
最后，在设计超材料时，应该考虑的不仅仅是数据表。重要的是要意识到，最终结果不是在纸上呈现的，而是被耳朵接收的，因此使用声学超材料的室内声学综合设计应始终将心理声学考虑作为重要组成部分，本研究为将主观指标纳入设计过程提供了一种见解和方法。
原文来源：Proc. Mtgs. Acoust. 55, 065001 (2024)；Impact of design variations of micro-perforated panels on psychoacoustic metrics of transmitted sound；https://doi.org/10.1121/2.0002002
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