进展 | 可调主动低频吸声超材料

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众所周知，低频噪声，或者说，在50到100赫兹范围内的低频声波，总是最难吸收或操纵的。人工吸声材料或超材料的出现使有效的声衰减成为可能，但这种被动声结构仍然受到结构尺寸的限制，特别是在低频范围内。隔断或吸收低频声波需要很厚的吸收结构，分别由质量密度定律或最薄结构厚度的因果律决定。然而，这为有源设备的设计开发提供了一个机会，可以规避被动声学组件的限制。这是因为低频不仅意味着有源器件的功率要求较低，而且由于需要感知入射波和处理有源响应而导致的不可避免的时间延迟的影响也会减弱。由于有源器件的声学特性可以由电子元件调谐，因此，它们具有灵活调谐的潜力，以满足应用需求。

近日，香港科技大学物理系沈平教授课题组提出了一种平板有源边界的设计方案，并展示了它在调节边界阻抗方面的有效性，该设计的结构可以完全吸收50~120 Hz的低频范围内的入射声波，或改变其反射相位。这种声波频率范围通常是被动声学元件最难处理的，因为它的波长很长，因此所需要的材料体积很大。主动边界由压电换能器驱动，其振动位移由专门设计的机械放大器放大。通过模拟和阻抗管实验，研究人员发现，简单地调整主动边界的位移幅值可以改变其阻抗，从硬壁的阻抗，到阻抗与空气匹配(完全吸收)，再到零(反射相位反转)。此外，主动边界设备不需要反馈回路；在安装过程中只需要进行一次初始调整。此外，研究人员设计了一个1×1m2的平板边界来模拟房间声学应用。

结果表明，在较大的空间内，小尺寸的主动面板可以达到非常显著的声场操纵效果。特别是，它不仅可以降低低频噪声，而且可以实现平均相位声场的偏移，可以显著地改变房间人的听觉体验。该平板仅占房间总墙壁面积的1/48。

研究结果可供参考用于房间声学的设计和应用的超材料。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：

Nan Gao,et al, Manipulation of Low-Frequency Sound with a Tunable Active Metamaterial Panel.PRApplied(2022).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.044037.

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：九乡河。