基于局部声彩虹捕获的多频段全向通风声屏障

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声彩虹捕获广泛应用在自增强声传感、声信号处理、滤波到宽带吸声的各种场景中，其优点是声波可以自由调制并且捕获在特定位置。事实上，彩虹俘获的概念最初是从量子光学和非线性光学的研究中提出的，目的是克服高光延迟和宽带宽之间的限制。通常需要具有强色散的材料来实现彩虹捕获。然而，在声学对应物中，由于天然材料中声音的色散不强，使得彩虹捕获的实现更加困难。随着声子晶体、声学超材料和超表面的发展，人工结构材料填补了天然材料的空白，实现了强声色散。另一方面，在建筑物、重型机械舱和车站，同时进行噪声衰减和通风是一个持续的追求。然而，噪声通常覆盖很宽的频率和角度范围，急需设计宽带或多频带的全向声通气屏障。近年来，基于不同的物理机制，人们努力拓宽工作频率和入射角范围，包括基于多频共振吸声材料的双层穿孔亚结构，基于单极和偶极共振模式叠加的喇叭状螺旋超表面，以及声波导中的钩状超表面等。

近日，安徽理工大学力学与光电物理学院的吴宏伟副教授和南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室的彭茹雯教授团队首次提出了一个理论模型来实现局部结构中基于径向梯度凹槽的亚波长封闭表面的声彩虹捕获效应。通过近似均匀化超材料，我们导出了沿结构方位方向传播的结构声表面波 (SASW) 的色散关系、场增强因子和空间场分布，并能通过调整结构梯度和初始内半径来自由调整SASW的陷阱位置。以此设计出一种具有多频段、全方位隔音和高通风性的声屏障。模拟结果表明，在考虑多频粘滞和热损失的情况下，声屏障仍能阻挡90%的入射能量，维持60%的通孔率。此外，为了演示声屏障的广角响应，他们还计算了不同入射角 (0-180°) 和频率下的传输损耗，发现多频带捕获效率基本不变在。

此外，他们进行了实验测量，结果表明，材料损耗有效地拓宽了隔声频带。这种基于局部声彩虹效应的声屏障为设计满足宽频带响应、亚波长尺度、全方位阻挡和高通风要求的隔声材料开辟了一条新的途径。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.054033

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