音色可控的超构消声器

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1. 文章导读

音色作为声音的基本要素之一，对构成声音性质起着重要作用。音色与宽带特性具有天然的关联。由于传统声学共振结构固有的色散特性，其宽带声波调控能力受到限制，因此利用被动声学系统实现音色调制一直是个极具挑战性的难题。近年来声学超材料的发展极大地丰富了利用亚波长尺寸结构实现高效率声波调控的方法。其中，宽带超材料吸声体的相关研究成果为宽带音色调制提供了许多新颖的思路。此外，得益于增材制造技术的发展，基于超材料构建高性能的声学器件具有了更高的可行性。然而，相对于宽频吸声，音色调制对多个模式在宽频范围内耦合效应的精细调控提出了更高的要求，因此音色调制的实现仍是一个尚未解决的难题。

近期，同济大学声学所李勇教授课题组和祝捷教授课题组在制造领域的顶尖期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表题为《Meta-silencer with designable timbre》的研究文章。研究团队通过深入探究多共振模式的耦合效应，揭示了强全局耦合效应对共振色散的抑制作用。基于此研究结果，研究团队提出了一种超构消声器实现了音色的高效调制。该超构消声器由金属泡沫、穿孔板和多个内嵌管式亥姆霍兹共振单元（NEHR）组成，这种结构提供了在宽频范围内的高模式密度和高可调性系统本征损耗，因此可以支持高可调性的强全局耦合响应，这就为实现可设计的音色铺平了道路。通过合理设计的超构消声器（厚度为5cm左右）可在500-3200Hz频率范围内实现声衰减效率可控的可设计的音色，表现出了优秀的共振色散抑制能力和频率选择性声波操纵能力。

研究团队提出的超构消声器如图1（a）所示，进行实验验证的声波导管设备如图1（b）所示。研究团队首先基于模耦合理论和模式匹配方法建立了分析超构消声器全局耦合效应和声透射损失的理论模型。通过该理论模型分析透射损失（TL）与模式密度及频率之间的关系（图2（a）），发现了模式密度的增加可以强化共振单元之间的全局耦合效应，从而有效抑制由共振色散特性引起的TL曲线震荡（图2（b））。基于以上结果，该工作提出了利用精细调控的强非局域效应来实现可设计音色的理念。研究团队具体设计了三个具有不同设计目标的超构消声器来验证以上理论模型和所提出的理念。第一个设计目标是在500-3200 Hz内具有尽量高的声衰减效率。所设计的超构消声器实现了在目标宽频范围内平均28.4 dB的透射损失，同时其厚度仅为5.35 cm，约为500 Hz声波波长的1/13（图3）。第二个超构消声器的设计目标是在500-3200 Hz的TL维持在12 dB附近。所设计的超构消声器（厚度4.34 cm）中的金属泡沫有效地提升了模式密度，从而较好地实现了设计目标。第二个设计目标相较前者具有更严格的限制，设计结构所实现的优秀效果验证了高模式密度所支持的强非局域效应对共振色散具有高效的抑制作用（图4）。最后的设计目标是在500-3200 Hz实现可设计音色，也就是不同倍频范围内实现效率高度可控的声衰减。所设计的超构消声器不仅支持了高模式密度，还进一步在不同倍频内具有特定的密度分布，最终实现了减轻基频音（500-930Hz）、突出第一泛音（930-1720Hz）和缄默第二泛音（1720-3200Hz）的可设计音色的效果（图5）。

该工作为调制全局耦合以抑制共振色散提供了新的见解, 并提出了通过声学超构消声器调控模式密度分布、全局耦合效应和系统本征损耗的有效方法。所提出的设计理念也可用于构建反射型声学超构结构，在室内声学中有广泛的应用潜力。该工作为可设计音色的研究开辟了一条新途径，也有望对航空发动机和通风系统中的消声器设计提供新的解决方案和技术思路。

图1（a）由并联耦合的多个内嵌管式亥姆霍兹共振器（NEHRs）、金属泡沫及分隔其单元的外壳和穿孔板组成的超构消声器的示意图。（b）声波导管实验设备。

图2（a）宽频范围内不同模式密度的透射损失（TL）。橙色、深青色和绿色虚线分别代表稀疏模式密度、中等模式密度和高模式密度的典型情况，其对应TL曲线如图（b）中相应颜色曲线所示。

图3 具有高效声衰减性能的超构消声器。（a）超构消声器在500-3200 Hz内理论（线）和实验（圈）的TL。（b）超构消声器在声波掠入射下的理论（线）和实验（圈）的透射系数（亮绿色）、吸收系数（红色）和反射系数（蓝色）。插图为实验样品照片。（c）超构消声器的理论（线）和实验（圈）的声阻（橙色）和声抗（蓝色）。（d）超构消声器声压幅值|p|的理论结果。

图4 具有声衰减效率可控的超构消声器。（a）绿线和圈分别表示超构消声器的理论和实验的TL。灰线表示没有金属泡沫的消声器的TL曲线。插图为实验样品照片。（b）超构消声器的理论（线）和实验（圈）的声阻（橙色）和声抗（蓝色）。深灰色和浅灰色实线分别表示去掉金属泡沫的超构消声器的理论的声阻和声抗。

图5 可设计音色的超构消声器。（a）超构消声器理论（线）和实验（圈）的TL。超构消声器在500-930Hz、930-1720Hz和1720-3200Hz的TL目标分别为18dB、3dB和35dB，其相应的透射系数分别为0.016、0.5和0.003（（b）中黑色虚线）。插图为实验样品照片。（b）超构消声器在声波掠入射下的理论（实线）和实验（圈）的透射系数。彩色虚线表示NEHRs的透射曲线。点划线（灰色）表示单独的具有金属泡沫背腔的穿孔板的透射曲线。（c）超构消声器的理论（线）和实验（圈）的声阻（橙色）和声抗（蓝色）。（d）超构消声器声压幅值|p|的理论结果。

该研究获得了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、中国香港特别行政区大学教育资助委员会/研究资助局资助