超材料研究的最新进展表明，在克服声学的基本物理局限性方面取得了颇具潜景的研制成果。虽然大部分的超材料研究是由好奇心驱动的，并且集中在基础物理学上，但很少有能对现实世界的应用产生直接影响和立竿见影效果的声学超材料研究。在这项研究中，在头戴式音频模组中加入了一种声学超材料，以在低频范围（50–700 Hz）内实现3–7 dB宽带声压级（SPL）的改善，这是声辐射增强最具挑战性的频率范围。声学超材料的采用不仅提高了固有超材料谐振频率附近的电压灵敏度，而且通过所设计的超材料-换能器谐振耦合，将宽带增强扩展到较低的换能器谐振频率。音频模块的改进是通过使用有限元分析的完全耦合机电声数值模拟来证明的，并通过综合测量进行验证，包括电阻抗分析、扬声器振膜位移分析、电压灵敏度和功率灵敏度分析以及频谱图。这项研究不仅为在不增加尺寸的情况下提高音频模组的质量提供了一条很有前景的途径，而且是利用声学超材料研究解决音频行业挑战的一个重要里程碑。
音频模组的技术进步带来了扬声器、手机、耳机和智能扬声器等消费电子产品的成功开发。最近，作为头戴式设备（HMD）的关键组件，音频模组质量在增强现实（AR）或虚拟现实（VR）体验中发挥着重要作用。这些产品在娱乐、医疗和教育等多个领域彻底改变了人类如何与周围环境进行沉浸式互动。音频辐射通常与视觉显示器和其他传感器结合使用，是人类与HMD通信的主要接口之一。然而，近年来，这些设备的辐射性能已经达到了一个平稳期。在不增加设备尺寸的情况下提高响度或功率效能仍然是极具挑战性的。这是由于辐射到远场的单极源的功率与（D/λ）2成比例（D是直径，λ是波长）。随着HMD小型化的趋势，功率预算非常有限（小电池），音频辐射模组被限制在低频辐射更具挑战性的小空间内。人们越来越需要一种紧凑的音频模块，该模块可以在消耗低功率的同时产生高声压级，特别是在从20 Hz到1k Hz的低频下。研究表明，随着时间的推移，低音频率（低于100Hz）对流行音乐录音中响度的最大增加做出了贡献。此外，中频（以≈500 Hz为中心的倍频程）是语音长期平均频谱的主要部分，与语音可懂度和各种听力学应用有关。因此，此项研究选择了低音和中频作为音频增强的主要目标频带。
典型的音频模组设计是由换能器、前后声腔和周围环境组成的机电声耦合系统。传统扬声器设计的例子包括封闭盒、通风盒、喇叭和传输线。最近，一些折叠传输线设计已被用于改善小型音频设备的辐射性能。这些概念很有趣，并且已经使用等效电路方法将声域和换能器域连接起来。然而，在以前的研究中，声学结构共振和换能器共振几乎是独立的，导致两种共振之间本质上的弱耦合，从而导致次优设计，尤其是在低频下。
本研究提出了一种超材料换能器共振耦合，通过在头戴式声学模组内详细设计盘绕式声学超材料（CAMM），在不改变换能器或整体外壳尺寸的情况下提高声音辐射性能（响度和功率效率），这对于音频行业中的产品开发来说通常是具有挑战性的要求。换能器和超材料谐振之间的谐振耦合效应被用作实现电压灵敏度提高的关键工具（dB SPL
re 0.1 Vrms 输入激励）。数值计算表明，尽管超材料共振频率为≈600 Hz，但适当调谐的超材料-换能器共振耦合可以在接近换能器共振的更低频率（≈100 Hz）下实现声音增强，这是实现宽带声音增强的关键。
使用3D打印对设计进行了原型化，并使用自由场测量验证了模拟结果，其中测量和模拟的电压灵敏度、偏移（隔膜的位移）、电阻抗和功率灵敏度（SPL re 0.1W）之间达成了良好的一致性。最后，通过在头部和躯干模拟器（HATS）上安装带有CAMM的音频模组来记录音频输出。结果显示，当使用男性语音作为输入时，在100Hz时提高了3dB，RMS提高了2.5dB，当播放音乐时，在117Hz时提高2.6dB，RMS提高0.8dB。值得注意的是，尽管这些改进看似温和，但按照行业标准来看，它们实际上意义重大。这些结果共同证明了声学超材料能够显著改善从换能器到声域的声辐射。
a） HMD（一种称为Quest 2的VR设备）上的偶极音频模块。b）3D，c）具有CAMM的偶极音频模块的2D示意图，d）平面z＝0上音频模块外部的偶极配置的归一化压力分布
a）音频模组框图，仅包括带有CAMM的前端口。b）当CAMM在不同分隔距离d处感应的耦合谐振被引入厚度为T=5.0mm的空波导中时，音频模组的数字电压灵敏度。c）与T=5.0 mm处的空波导相比，电压灵敏度的提高
WG50（黑色）、CAMM50_4mm（红色）和CAMM50（绿色）的偶极响应的数值结果。三个位置的电压灵敏度：a）距离前端口0.5 cm处，b）距离后端口0.5 cm，以及c）LP。d）显示了前端口和后端口之间的压力相位差
测量a）电压灵敏度和b）在0.1Vrms下的自由场中音频模组的偏移和电阻抗的照片。测量（虚线）和模拟（实线）：c）LP处的电压灵敏度，d）扬声器振膜中心的偏移，e）电阻抗的实部，以及f）WG50（黑色）和CAMM50（绿色）在LP处每0.1W的功率灵敏度
a）当b）WG50/CAMM50安装在左/右耳上，激励电压为0.1Vrms时，测量HATS电压灵敏度的示意图。当c）男性语音信号和f）音乐信号由WG50（黑色）和CAMM50（绿色）播放时，使用入耳式麦克风测量电压灵敏度的数字信号。与WG50相比，男性语音信号和音乐信号的电压灵敏度的改善在电压灵敏度的正下方的图中绘出。对于男性语音信号，WG50和CAMM50的频谱图如d）和e）所示，从50到2000 Hz，使用相同的色图（−140到−97 dB）。下面为WG50和CAMM50绘制了另一个色图范围（−130到−107 dB）的特写视图，以显示从50到200 Hz的增强。对于音乐信号，WG50和CAMM50的频谱图显示在g）和h）中，使用相同的色图（−170到−125 dB）从50到2000 Hz。下面为WG50和CAMM50绘制了另一个色图范围（−150到−125 dB）的特写视图，以显示从50到200 Hz的增强
此项研究提出了一种盘绕式声学超材料（CAMM），以提高头戴式音频模组的宽带电压灵敏度和功率灵敏度。超材料设计易于制造，更重要的是，它不消耗额外的空间。通过仔细调整换能器共振和超材料共振之间的耦合，CAMM在前端口上引入了适当的附加质量，并在前端口和后端口之间引入了较小的相位差。这些因素的组合导致在50至700 Hz的宽频率范围内增强3–7 dB的辐射。此项发现是利用声学超材料研究解决音频行业实际挑战的重要一步，这将有利于消费电子和AR/VR技术的最新发展。
原文来源：Adv. Mater. Technol. 2023, 2300834；Metamaterial-Augmented Head-Mounted Audio Module；https://doi.org/10.1002/admt.202300834
内容来源：Prosynx
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