3月6日，我校物理科學與工程學院聲學研究所李勇教授課題組和祝捷教授課題組合作研究成果以“meta-silencer with designable timbre”為題發表在《極端制造》（international journal of extreme manufacturing）上。該研究提出了一種可定制設計寬帶降噪曲線的超構消聲器。團隊研究了多共振模式的耦合效應，發現強全局耦合可以有效抑制共振的色散，并基于這一結果提出了可定制降噪曲線的超構消聲器設計方案。設計開發的超構消聲器可在500-3200hz頻率范圍內兼顧透射音色調控和降噪性能，展現了優異的共振色散抑制和頻段選擇能力。

音色是聲音的基本屬性，與其寬頻特性密切相關。要實現音色的靈活調節，需要相應的聲學結構具有寬頻模態調節能力。而傳統聲學共振結構往往具有固定的色散特性，限制了其對寬頻聲波的調控能力，因此如何設計結構聲學材料實現音色調節仍是聲學研究中的一個挑戰。近年來，聲學超構材料為解決這一挑戰提供了新的思路。研究團隊構建了由金屬泡沫、穿孔板和多個內嵌管式亥姆霍茲共振單元（nehr）組成的超構消聲器（圖1a），并使用聲波導管設備（圖1b）驗證超構消聲器的吸聲降噪和音色調控性能。研究團隊基于模耦合理論和模式匹配方法，建立了聲學超構消聲器中存在的全局耦合效應和聲透射損失的理論模型，分析了透射損失（tl）與模式密度及頻率之間的關系（圖2），并最終提出利用調控強全局效應來實現音色設計的理念。最終研究團隊具體設計了不同設計目標的超構消聲器來驗證以上理論模型和所提出的理念，證明了其不僅支持高模式密度，還可在不同倍頻內具有特定的模式密度分布。其中具有深亞波長厚度（5.35cm）的超構消聲器在500-3200hz頻率范圍內實現了平均28.4db、最小10db的透射損失的聲衰減效果（圖3）。厚度為4.34cm的第二類超構消聲器可將500-3200hz的tl限制在12db左右（圖4）。而厚度為4.44cm第三類超構消聲器則通過在500-3200hz范圍內設計音色，即在不同頻率范圍內實現高度可控的降噪量曲線，最終實現了減輕基頻音（500-930hz）、突出第一泛音（930-1720hz）和緘默第二泛音（1720-3200 hz）的音色效果（圖5）。

圖1（a）超構消聲器示意圖。（b）聲波導管實驗設備。

圖2（a）寬頻范圍內不同模式密度的透射損失（tl）。（b）稀疏、中等和密集模式密度的典型情況的tl曲線。

圖3高效聲衰減性能的超構消聲器。（a）超構消聲器理論和實驗的tl。（b）超構消聲器在聲波掠入射下的理論和實驗的透射、吸收和反射系數。插圖為實驗樣品圖。（c）超構消聲器的理論和實驗的聲阻抗。（d）超構消聲器聲壓幅值|p|的理論結果。

圖4聲衰減效率可控的超構消聲器。（a）超構消聲器的理論和實驗的tl。插圖為實驗樣品圖。（b）超構消聲器的理論和實驗的聲阻抗。

圖5可設計音色的超構消聲器。（a）超構消聲器理論和實驗的tl。插圖為實驗樣品圖。（b）超構消聲器在聲波掠入射下的理論和實驗的透射系數。（c）超構消聲器的理論和實驗的聲阻抗。（d）超構消聲器聲壓幅值|p|的理論結果。

我校物理科學與工程學院聲學研究所博士研究生王能銀、周成程為論文共同第一作者，香港城市大學博士后黃思博博士、同濟大學祝捷教授和李勇教授為論文共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金、上海市科委、中國香港特別行政區大學教育資助委員會/研究資助局資助。

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