可调谐的双层声学超笼结构，可实现高效的声音隔离与传输

《Applied Acoustics》：Tunable dual-layer acoustic metacage for efficient sound insulation and transmission

提出基于双层超表面的可调谐声子笼，通过旋转外层超表面实现相位梯度动态调控，利用0阶衍射的奇偶依赖衍射定律实现声绝缘与传输的切换，实验验证其在3.1-4.0kHz频段的有效性。

　　

李春豪|牛聪|李晓|张国豪|胡传杰|董大星|傅洋洋

南京航空航天大学物理学院，航空航天信息材料与物理国家重点实验室（NUAA），工业和信息化部，南京211106，中国

摘要

声学超笼已被广泛研究用于噪声隔离和降低，但现有设计缺乏动态可调性，限制了其支持声学信息传输的能力。在这项工作中，我们提出了一种基于双层超栅的可调声学超笼，以实现声音隔离和传输之间的高效动态切换。双层超栅采用二进制相位元件设计，提供了一种简单而稳健的方法来修改声学超笼的相位梯度。通过扭转双层超栅，我们实现了通过0阶衍射在声音隔离和传输之间的动态转换，这一过程受奇偶性依赖的衍射定律控制。我们进一步设计并实验验证了一种可调声学超笼，在3.1 kHz到4.0 kHz的频率范围内表现出有效的声音隔离和传输切换功能。实验结果证实了其在这两种功能上的有效通风能力。凭借其简单的设计和可调特性，所提出的声学超笼在噪声降低和声学通信应用中显示出巨大潜力。

引言

由于噪声控制在工业和日常生活中的广泛应用[1]、[2]，因此一直受到持续关注。传统的噪声隔离材料，如塑料泡沫、玻璃纤维和矿物棉，因其良好的隔音效果而被广泛使用，然而它们固有的笨重性和较差的透气性显著限制了其在特定场景中的应用[3]、[4]。近年来，具有精心设计的人工结构的亚波长尺度声学超表面展示了卓越的声波操控能力，实现了传统材料无法实现的多种现象，例如异常折射和反射[5]、[6]、[7]、波聚焦[8]、[9]、[10]、自弯曲波束[11]、[12]、[13]、涡旋波束[14]、[15]、[16]、[17]以及超分辨率位移测量[18]、[19]。鉴于其卓越的成功，声学超表面在噪声隔离方面提供了有效的手段，例如相干完美吸收[20]、[21]、宽带隔音[22]、[23]、[24]和通风隔音[25]、[26]、[27]。这些发展突显了声学超表面克服传统噪声降低方法局限性的潜力，为噪声隔离应用提供了有希望的解决方案。

在这些基于超表面的声音隔离或吸收装置中，超笼因其全向波屏蔽特性[28]、[29]、[30]、[31]而受到广泛关注。超笼的概念最初是在光学领域提出的，其结构由纳米线阵列组成，用于屏蔽电磁波以保护物体免受辐射[32]。随后，超笼设计被扩展到声学领域，在这里使用相位梯度结构实现全向波屏蔽[33]。然后，提出了各种不同结构和方法的声学超笼，例如局部彩虹捕获结构[34]和嵌套C形结构[35]。最近，提出了一种由具有开放孔洞的空间缠绕超材料组成的三维声学超笼，可以在阻挡声音的同时允许空气流通过穿孔[36]。然而，以往的研究通常集中在为声音隔离设计的固定单层声学系统上，这些系统只能满足单一操作场景的要求，难以灵活地在声音隔离和信息传输功能之间切换。因此，开发具有按需切换功能的可调声学超笼对于提高其实际应用性至关重要。

在本文中，我们提出了一种基于双层超栅的可调声学超笼，它能够在声音隔离和传输之间实现高效切换。声学超笼的每一层都由具有二进制相位元件的周期性超胞组成，通过工程化较大的横向动量来抑制非零衍射阶数，确保声音沿0阶衍射传播。通过扭转双层超栅来调整声学超笼的相位分布，可以诱导破坏性或建设性干涉的不同效果，从而实现声音传播的切换。这一过程受奇偶性依赖的衍射定律控制。借助这种衍射机制，我们设计并数值验证了一种可以根据需求在3.1–4.0 kHz频率范围内在声音隔离和传输之间切换的声学超笼。此外，还制造了一个原型并进行了实验验证，证明了其出色的性能和通风能力。这种可调的双层声学超笼为需要同时具备噪声降低和声学通信优势的一些声学应用提供了实用的解决方案。

理论及模型

所提出的可调声学超笼如图1(a)所示，由双层超栅组成，内半径为$R_1$，外半径为$R_2$。这两层可以通过一个扭转角度$\theta$相对旋转，为了简化，内层固定而外层可以旋转。为了实现两层之间的动态旋转，引入了一个层间空气间隙$\delta$。超栅由$N$组方位排列的扇形超胞组成，每个

声学超笼的设计细节

我们进一步基于声学人工结构设计了声学超笼，其参数配置为$\delta =0.1mm$，$n_1=1$，$n_2=1.53$，因为这种间隙大小便于样品制造和实验装置中组件的旋转调整。如图3(a)所示，为声学超笼设计了两种类型的单元胞。对于折射率为$n_1$的单元胞（单元胞-1），采用了径向宽度为$h=5m$的扇形空气波导。对于具有折射率的单元胞

数值演示和实验验证

我们使用3D打印技术制造了样品，其“关闭”和“开启”状态的配置如图4(a)所示。样品的材料是光敏树脂，可以视为声学刚性的。我们将样品放置在2D平行板波导中以测量传输压力场，实验装置如图4(b)所示。在实验中，位于样品中心的扬声器发送所需的声波，一个可移动的麦克风

结论

总之，我们提出并实验验证了一种基于双层超栅的可调声学超笼，它能够在声音隔离和传输之间实现高效的动态切换。两层之间的扭转角度的引入调节了声学超笼的相位梯度，由此产生的衍射受奇偶性依赖的衍射定律控制。作为概念验证，我们实验验证了一种可以根据需求进行切换的可调声学超笼

CRediT作者贡献声明

李春豪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，研究，形式分析。牛聪：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件，形式分析。李晓：撰写 – 审稿与编辑，软件，形式分析。张国豪：撰写 – 审稿与编辑。胡传杰：撰写 – 审稿与编辑，监督，形式分析。董大星：监督，项目管理。傅洋洋：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：12274225、12504349）、中央高校基本科研业务费（编号：NS2025035、NE2022007）、江苏省自然科学基金（编号：BK20230089）、航空航天结构力学与控制国家重点实验室（南京航空航天大学）研究基金（编号：MCAS-I-0125G02）以及中国博士后科学基金（编号：的支持