低频和中频噪声通常具有能量高、波长长和穿透力强的特点，对其抑制是一个重大挑战。有效的抑制方法往往需要笨重的大型结构[[1], [2], [3], [4], [5]]。这导致了这种需求与高端设备对轻量化的要求以及它们有限安装空间之间的矛盾。此外，一旦噪声降低结构被设计和制造出来，其噪声抑制性能通常无法改变，无法应对设备所处的复杂多变噪声环境[[6], [7], [8], [9], [10]]。因此，设计具有轻量化、可调性和低频噪声抑制能力的声学结构至关重要。
噪声抑制通常有两种机制：电阻型和反应型。电阻型的经典例子是多孔吸声结构。这一领域已经进入商业应用阶段，但其应用范围仅限于气体流速较低的管道中的中高频噪声抑制[[11,12]]。反应型主要通过控制声学阻抗来诱导突然的阻抗变化来实现噪声抑制效果，亥姆霍兹共振器是典型的代表[[13], [14], [15]]。尽管传统的亥姆霍兹共振器配置在中低频噪声衰减方面表现出显著效果，但它们存在频率依赖性、缺乏可调性和带宽有限等固有局限性，亟需改进。一种实用策略是重新配置亥姆霍兹共振器的几何结构，以调节声学阻抗以及声波的相位、幅度和传播方向，从而实现噪声衰减性能的调节[[16,17]]。近年来，还出现了结合这两种机制的声学结构设计，在中低频范围内实现了良好的噪声抑制效果[[18]]。然而，传统方法仍存在实时可控性不足、调节范围有限和结构笨重等固有缺点。近年来出现的声学超材料以及传统的折纸技术，可能为上述挑战提供可行的解决方案。前者通过紧凑的结构实现中低频噪声的抑制，而后者则便于广泛调节声学特性。
声学超材料是指具有非凡声学特性的人工复合结构材料[[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]]。基于布拉格散射机制的声学超材料表现出相当的波长和结构周期性；因此，在低频范围内需要较大的尺寸。然而，一个关键问题是实际工程应用中无法使用无限长的结构。在这种情况下，只能在带隙范围内实现有限的声波衰减[[27]]。因此，在紧凑的体积因子内实现显著的声学衰减对于实际应用至关重要。不过，基于局部共振机制的亚波长声学超材料[[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]]有效地规避了这一限制。Chang等人设计了一种二维平面迷宫型声学超材料，其通道缠绕结构使得截止频率处的波长达到超材料厚度的七倍[[39]]。此外，一些研究还展示了全向声音衰减[[42,43]]。总体而言，基于局部共振的声学超材料研究对于扩展基础声学科学和克服传统材料的局限性具有重要意义[[44], [45], [46]]。然而，大多数基于局部共振的声学超材料具有狭窄的噪声抑制带，缺乏主动调节能力以适应外部噪声变化，从而无法实现最佳噪声抑制。
为了解决这个问题，一些研究将智能材料融入声学超材料中[[47]]。通过施加电场或磁场等外部刺激，可以调节声学超材料的结构和机械特性，从而调节其声学特性。作为常见的智能材料，介电弹性体（DE）在电场作用下沿水平方向膨胀、沿垂直方向收缩[[48]]。Lu等人设计了基于DE薄膜的可调声学特性的新型管道消声器[[49]]和预应力DE执行器吸声器[[50]]。通过对DE薄膜施加直流电压，可以调节其张力，从而将峰值共振频率向低频方向移动。Abbad等人使用DE薄膜作为共振器的前壁构建了薄膜亥姆霍兹共振器[[51]]，该共振器在电压调节下表现出共振频率的变化。然而，外部光和热会影响软膜片的应力，导致声学性能偏离预期。此外，热应力会影响软膜片的使用寿命，其操作可靠性无法保证。相比之下，通过折纸结构可以操纵和定制声学超材料的声学衰减，而不会出现这些问题。
折纸结构具有许多优点，包括轻量化、较大的柔韧性以及广泛的应用性，已被广泛应用于机械超材料[[52], [53], [54], [55]]、能量缓冲和吸收[[56], [57], [58]]、机器人技术[[59], [60], [61], [62]]、可部署结构[[63], [64], [65]]以及振动/噪声抑制[[66], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73]]等领域。通过改变折纸结构，可以形成不同的刚性壁和声学阻抗界面，进一步调节声波的相位、幅度和方向。研究人员研究了折纸折叠中的大变形，为声场控制提供了可行的解决方案[[74], [75], [76], [77], [78], [79], [80], [81], [82], [83], [84]]。在这些研究中，利用折纸结构进行低频和中频范围内的噪声抑制进行了多项重要的探索性研究。将折纸技术与亥姆霍兹共振器原理相结合，开发出了可重构的声学结构，实现了声学特性的可调性和可编程性[[76]]。利用魔球折纸结构作为亥姆霍兹共振器的分支，可以通过改变其体积来调节亥姆霍兹共振器的声学阻抗，从而实现声学特性的调节[[81]]。将微穿孔面板理论应用于大变形折纸结构，实现了宽频带内的声音吸收频率调节[[82]]。在我们之前的研究中，我们将手风琴折纸结构融入亥姆霍兹共振器的分支，并采用了气动驱动策略，实现了实时的宽范围噪声调节[[67]]。虽然折纸技术为噪声抑制领域提供了有前景的途径，但相关研究仍然相对较少且具有很高的挑战性。例如，如何通过折纸结构实现带隙和声音传输损耗的精确和宽带可调性[[85,86]]，以及如何通过主动有效的方法调节基于折纸的声学超材料，仍需进一步研究。此外，还需要深入探索基于折纸的声学超材料的更多样化和多功能性的带隙特性和声学特性。
为此，我们采用手风琴折纸结构作为亥姆霍兹共振器的分支来形成声学超材料单元单元，并提出了一种受折纸启发的声学超材料（OriAM）。利用手风琴折纸单自由度运动的易控性优势，我们使用气动驱动来调节其体积或高度，从而实现带隙和声学特性的实时和宽范围调节。此外，由于气压可以独立控制单个单元单元的高度（例如，通过实现梯度高度排列），OriAM可以表现出更多样化和多功能的带隙和声学行为。所提出的OriAM可以实现带隙的合并和移动、声学传输损耗的宽范围可调性，以及空间频率分频和波场能量集中。此外，我们还进一步探索了通过折纸单元单元的二维折痕图案来定制带隙和声学特性的可行性。这项工作介绍了一种新的气动控制策略来调节和定制超材料的声学特性，同时阐明了布拉格反射和局部共振在噪声抑制中的关键作用。所提出的策略具有实时可调性、可定制性和低频噪声的有效衰减特性。从这项研究中获得的见解对于核工程、航空发动机管道系统和其他相关工程领域的噪声抑制具有重要的启示意义。本研究的其余部分安排如下：引言之后，第2节介绍了OriAM的设计策略和控制原理。第3节描述了用于研究OriAM带结构和声音抑制性能的方法，包括带结构和传输损耗的理论预测和数值模拟，以及传输损耗的实验研究。第4节展示了结果和讨论。最后，第5节提出了结论性意见。
