《Applied Acoustics》：Tunable acoustic metasurface for low-frequency broadband absorption via asymmetric adjustable apertures
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本研究提出了一种通过机械调整孔径实现低频宽带吸声的元表面。该元表面由亚波长亥姆霍兹共振器组成，每个共振器集成可调孔径，通过相邻共振器的几何不对称性诱导混合共振，结合热粘性损失理论模型优化设计，实验验证其在400-540Hz范围内实现99%以上的吸收效率，且可通过扩展单元实现宽带吸收。
Jiwan Kim | Yerin Shim | Wonju Jeon
韩国科学技术院机械工程系，大田市儒城区大鹤路291号，34141，大韩民国
摘要
我们提出了一种声学超表面，该超表面通过机械可调的孔径实现低频宽带吸收，并且目标频率可调。该超表面由亚波长亥姆霍兹谐振器组成，每个谐振器的颈部边缘都集成了一个孔径，而不会增加整体厚度。通过调节孔径的开闭比例，相邻谐振器之间的几何不对称性会诱导出混合共振，从而实现完美吸收。与没有孔径的设计相比，所提出的结构降低了共振频率并拓宽了带宽，同时保持了亚波长的厚度。我们开发了一个理论模型，通过严格考虑狭窄孔径中的热粘性损耗来计算超表面的频率依赖性有效阻抗。该模型为选择孔径开闭比例提供了一个基于物理的框架，以确保在任意频率下实现阻抗匹配。为了验证其实际可行性，我们使用三维打印技术制造了一个具有虹膜光圈启发式孔径的超表面样本，并通过阻抗管测量对其吸收性能进行了实验验证。实验结果证实，在400至540 Hz的可调范围内，选定频率下的吸收性能完美。此外，通过组合多个单元格，该设计实现了宽带吸收，在三分之一的八度带宽（390–485 Hz）内实现了90%的吸收率。鉴于其紧凑性和可调性，这种超表面为在动态变化的频谱条件下控制低频噪声提供了一种有效的解决方案。
引言
低频声音的宽带吸收是各种工业领域噪声控制应用中最关键的挑战之一，包括家用电器、汽车系统、发电和建筑结构。传统上，多孔和纤维材料（如聚氨酯泡沫、矿棉板和玻璃纤维板）主要通过其微结构内的粘性摩擦和热传导来吸收声音，将这些声能转化为热能[1]、[2]、[3]。虽然这些材料对中高频声音有效，但由于声波波长超过材料厚度，其在低频下的性能显著下降。因此，要在低频范围内实现足够的吸收，通常需要大幅增加材料厚度，从而导致结构笨重，不利于紧凑系统的集成。另一种方法是使用基于共振的吸声器，例如亥姆霍兹谐振器（HRs）[4]、[5]、[6]、[7]、微穿孔板（MPP）吸声器[8]、[9]、[10]、[11]、[12]和四分之一波长管[13]、[14]、[15]，这些吸声器通过其几何参数决定的共振效应在特定频率下实现高吸收率。然而，这些结构的带宽较窄，容易受到制造公差的影响，并且需要笨重的设计来实现低频吸收。
声学超表面作为一种有前景的解决方案，克服了传统吸声器在低频范围内的局限性。声学超表面利用了专门设计的基于共振的结构，如亚波长HRs[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、空间缠绕通道[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、膜型谐振器[31]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]和改良的MPPs[41]、[42]、[43]、[44]，使其有效声阻抗在目标频率下与空气匹配，从而防止入射波的反射。这种阻抗匹配使超表面能够在亚波长厚度下实现完美吸收（即吸收系数约为1）。然而，依赖于局部共振的声学超表面固有的吸收带宽较窄，通常相对带宽低于5%，其中相对带宽定义为吸收系数超过0.9的频率范围，以中心频率为基准进行归一化。
在最近的研究中，基于混合共振的声学超表面被提出作为一种有效的方法来拓宽吸收带宽[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。混合共振是由单个单元格内多个共振模式之间的强烈相互作用引起的物理现象。即使保持亚波长厚度，它也能实现宽的吸收带宽。这种相互作用可以通过在相邻谐振器之间引入几何不对称性[46]、[47]、[48]、[49]、[51]、[53]或通过耦合不同类型的共振元件[45]、[54]来实现。在前一种情况下，由具有不同颈部半径的亚波长HRs组成的声学超表面在目标频率下实现完美吸收，厚度为λ/23，相对带宽为7%。另一种实现方式是在相邻HRs的腔体中嵌入膜[53]，与没有膜的配置相比，厚度减少了13%。在后一种情况下，将亚波长HRs与MPPs耦合的声学超表面在所需频率下实现完美吸收，相对带宽为18%，厚度为λ/20[54]。基于这种配置来诱导混合共振，进一步的研究提出了排列具有不同目标频率的多个单元格，以实现低频范围内的多频率或宽带吸收[48]、[51]。
尽管基于混合共振的声学超表面具有宽带吸收能力，但一旦制造完成，其工作频率是固定的，因为目标频率由每个单元格的几何配置决定。然而，在实际的噪声控制应用中，系统（如旋转机械和通风设备）的工作频率成分通常会随运行条件而变化。因此，修改现有超表面的吸收频率需要结构上的改变，例如调整颈部半径或重新定位嵌入的膜。最近，通过引入可重构元件提出了可调声学超材料，这些元件允许控制吸收频率。已经探索了多种机制，包括通过施加电压改变膜张力的介电弹性体执行器[55]、改变共振条件的可旋转微缝管[56]、[57]，以及具有可调颈部长度[58]或腔体体积[59]的HRs。虽然这些方法在频率调谐方面显示出潜力，但它们主要基于局部共振，因此在实现宽带吸收方面存在局限性。为了解决这些挑战，本研究提出了一种声学超表面，通过简单机械调整其几何配置来实现宽带低频吸收和连续频率可调性。
在这项研究中，我们设计了一种声学超表面，以实现低频宽带声音吸收，同时通过可调孔径实现目标吸收频率的精确和直接调谐。该超表面由亚波长HRs组成，每个谐振器的颈部边缘都集成了一个孔径，而不会增加整体厚度，每个谐振器的孔径开闭比例可以单独调节。通过调整相邻谐振器之间的开闭比例，所提出的超表面引入了几何不对称性，从而诱导出混合共振。这种机制实现了接近完美的吸收（α≥0.99）和宽的带宽，同时保持了紧凑的亚波长厚度，与之前依赖于局部共振来实现高吸收的可调吸声器不同。为了考虑孔径对吸收性能的影响，我们开发了一个理论模型，通过模拟狭窄孔径中的热粘性损耗来计算超表面的频率依赖性有效阻抗。该模型有助于系统地设计超表面，以满足在所需频率下的阻抗匹配条件。为了实现可调性，每个孔径都集成了一个受相机虹膜光圈启发的机械调节机制，允许连续调节开闭比例。这种可调性无需改变内部几何结构或进行结构重建即可实现。该超表面已经制造出来，并通过阻抗管测量对其吸收性能进行了实验验证，证明了其在紧凑外形因素内的可调频率范围内的高吸收性能。此外，所提出的超表面设计扩展到了多频率和宽带吸收，并探讨了其在自适应噪声控制应用中的潜力。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了通过集成亚波长HRs和孔径来实现低频声音近乎完美吸收的声学超表面设计。描述了其几何配置和有效阻抗的理论建模，为系统设计策略奠定了基础。第3节介绍了通过集成可调孔径来实现吸收频率连续控制的超表面可调设计，而不需要修改结构配置。第4节将所提出的超表面设计扩展到了多频率和宽带声音吸收。最后，第5节总结了本文并讨论了实际应用和进一步发展的潜在方向。
章节片段
具有孔径的声学超表面用于完美吸收低频声音
本节介绍了一种通过集成亚波长HRs和孔径来完美吸收低频声波的声学超表面。描述了该超表面的几何配置，并为其有效声阻抗开发了一个理论模型。基于该理论模型，建立了一个系统设计框架，以在所需频率下实现阻抗匹配。
使用具有可调孔径的声学超表面实现可调吸收
本节介绍了一种具有可调孔径的声学超表面，可以在不修改整体结构配置的情况下调节吸收频率。目标是吸收低频噪声，其主导频率会根据各种机械系统（如旋转机械和通风系统）的运行条件而变化。首先，描述了具有可调孔径的超表面的几何形状和孔径可调性的策略。
用于宽带吸收的声学超表面设计
在实际的噪声控制应用中，声音能量通常分布在多个谐波分量或宽频谱范围内，这取决于机械系统（如旋转机械和通风系统）的运行条件。为了有效减少这种多频率或宽带噪声，设计能够选择性针对多个频率的声学超表面是至关重要的。本节通过策略性地
结论
本研究提出了一种声学超表面，旨在实现低频宽带声音吸收，同时通过可调孔径实现精确和可调的吸收频率和带宽控制。该超表面由周期性正交排列的元分子组成，每个元分子由四个作为亚波长HRs实现的元原子组成，并集成了孔径。通过调节各个元原子的孔径开闭比例，策略性地实现了几何不对称性
CRediT作者贡献声明
Jiwan Kim：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Yerin Shim：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、数据管理。Wonju Jeon：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府（MSIT）资助）（RS-2022-NR070329）和KAIST Jang Young Sil研究员计划的资助。
