王儷靜，吳曉莉

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

綠色建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的必要組成部分，主要是為人類提供環(huán)境友好、健康舒適的生活空間，但大多建筑靠近地面交通網(wǎng)，車輛等產(chǎn)生的環(huán)境噪聲已經(jīng)成為影響社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和居民日常生活的主要污染形式之一，尋求有效的通風(fēng)隔聲方法是發(fā)展綠色建筑首要解決的任務(wù)之一。

傳統(tǒng)的隔音屏障是緩解交通噪聲的主要措施之一[1]，建筑立面是高層環(huán)境中較為通用的隔聲方法之一[2-3]，且不占用土地面積，雙層或三層玻璃窗也可以有效地控制噪聲[4]。然而，除非安裝機(jī)械通風(fēng)，這些傳統(tǒng)的隔聲措施都是以犧牲室內(nèi)空氣質(zhì)量為代價(jià)的，在現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的理念下，機(jī)械通風(fēng)一般是不可取的，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生額外的能源消耗。聲學(xué)超材料的出現(xiàn)與發(fā)展為解決這一問題提供了新的研究方向。

聲學(xué)超材料是通過對(duì)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得傳統(tǒng)材料所不具備的隔聲特性的一種人工設(shè)計(jì)制造而成的特定聲結(jié)構(gòu)，不僅提供了前所未有的操縱聲波和振動(dòng)的能力，并且提供了多領(lǐng)域的應(yīng)用前景，例如聲學(xué)隱形[5]、亞波長(zhǎng)成像[6]、傳輸或反射控制[7]等。聲學(xué)超材料起源于局域共振型聲子晶體，聲子晶體因布拉格散射具有帶隙的特性，通過這一特性可以表現(xiàn)出不同尋常的聲學(xué)材料參數(shù)，例如負(fù)折射率或強(qiáng)有效質(zhì)量各向異性[8-9]，隔離某些特定頻段的噪聲，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料所不能實(shí)現(xiàn)的特殊物理特性，使得通風(fēng)隔聲方面的問題得到有效解決，尤其是在低頻隔聲方面非常具有實(shí)用價(jià)值，真正做到了“小體積、超輕薄、大隔聲”，成為現(xiàn)代綠色建筑設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的考慮因素。

1 隔聲機(jī)理

利用材料(構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng))阻礙噪聲的傳播，使通過材料后噪聲能量減小的方法稱為隔聲。隔聲材料的隔聲性能與材料、結(jié)構(gòu)和聲波的頻率均有關(guān)。隔聲材料透聲能力的大小，用透射系數(shù)τ來(lái)表示，它等于噪聲通過材料前后的聲能量比，即：

(1)

式中：Ei為入射到隔聲材料上的能量；Et為透射材料后的能量。透射率是隔聲結(jié)構(gòu)或者隔聲材料的主要影響因素，聲能量透射率越小，隔聲量越大，隔聲效果越好。

一般隔聲材料的透射系數(shù)τ很小，使用不方便，因此通常采用隔聲量(也稱傳聲損失，單位dB)來(lái)評(píng)價(jià)隔聲材料本身固有的隔聲能力：

(2)

式中：TL為隔聲量；τ為隔聲材料的透射系數(shù)。

在建筑聲學(xué)領(lǐng)域中，單層隔墻、雙層隔墻或多層復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)以及復(fù)合夾芯板都屬于傳統(tǒng)的隔聲結(jié)構(gòu)，其中，單層均質(zhì)板(隔板、隔墻等)是應(yīng)用最為廣泛的一種隔聲結(jié)構(gòu)，它的隔聲量R與面密度M的對(duì)數(shù)呈正比，即：

R=20lgMf-47.5

(3)

可以看出，面密度或頻率越大，隔聲量越大。

因此單層隔板等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料在低頻階段的隔聲性能較差，由質(zhì)量定律[10]可知，要想實(shí)現(xiàn)更好的隔聲效果，需要增加材料的面密度或是在面密度不變的情況下增加結(jié)構(gòu)的厚度，但這樣就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體積過大[11]，限制了材料在輕薄化場(chǎng)景下的使用，低頻段的隔聲性能很難提高。

當(dāng)前，所有隔聲結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理就是使聲音無(wú)法通過隔聲材料，可以通過聲波在材料表面的全反射或是在材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部全部消耗完而實(shí)現(xiàn)，聲學(xué)超材料的隔聲本質(zhì)屬于后者，通過共振機(jī)理改變聲波傳播路徑達(dá)到聲能耗散的目的。同時(shí)由于聲學(xué)超材料的特殊物理特性在很大程度上提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性，這種材料的結(jié)構(gòu)單元尺度可以顯著小于所調(diào)控的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量密度以及彈性模量均為負(fù)值的“雙負(fù)”特性[12]，在很大程度上降低隔聲結(jié)構(gòu)的厚度，突破了傳統(tǒng)減振降噪技術(shù)的局限性，達(dá)到利用更小的體積和質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)更有效的隔聲降噪，同時(shí)不阻礙流體的通過，為聲學(xué)降噪提供了新的技術(shù)途徑[13]，為綠色建筑中通風(fēng)隔聲的實(shí)際應(yīng)用開創(chuàng)了新的發(fā)展階段。

2 聲學(xué)超材料的研究現(xiàn)狀及分析

在實(shí)際生活中會(huì)有一些特殊的場(chǎng)景需要同時(shí)降低噪音和氣流通過，例如，自然通風(fēng)作為綠色建筑的關(guān)鍵組成部分，不可避免地會(huì)導(dǎo)致居民受到伴隨而來(lái)的噪音，因此便產(chǎn)生了隔音且透氣結(jié)構(gòu)的需求。傳統(tǒng)建筑里，窗戶是通過改變聲波傳播路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)隔聲，帶有吸收性襯里或穿孔隔板的蜿蜒路徑是有效控制噪聲的本質(zhì)原因[14-16]，但反過來(lái)也會(huì)產(chǎn)生更大的壓降，導(dǎo)致更差的通風(fēng)效果；百葉窗的設(shè)計(jì)在一定程度上調(diào)和了這一矛盾，廖俊彥[17]對(duì)隔聲窗安裝消聲百葉，進(jìn)行傳聲損失頻率特性分析，發(fā)現(xiàn)百葉片數(shù)是影響通風(fēng)隔聲性能的重要因素，片數(shù)越多，隔聲性能越好。再或是依靠阻性消聲，通過在建筑物表面安裝隔聲材料(如隔音墻隔音板)，金偉[18]等在百葉窗上采用了具有優(yōu)異性能的隔聲材料。當(dāng)無(wú)規(guī)則的入射聲波入射其中，百葉通過往復(fù)振蕩減少空氣阻力，便于通風(fēng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在寬頻譜范圍內(nèi)對(duì)聲波的吸收，但受限于隔聲結(jié)構(gòu)的厚度，低頻噪聲的控制效果并不理想。因此，通過改變聲波傳播的路徑或者通過隔聲材料可以實(shí)現(xiàn)隔聲效果，但上述兩種方法均對(duì)中高頻段范圍內(nèi)的聲傳輸損失更大，隔聲效果更為顯著。若想在低頻段達(dá)到同樣的效果則不免會(huì)造成體積過大的問題，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕薄化。傳統(tǒng)隔聲材料的聲學(xué)性能、通風(fēng)效率與體積質(zhì)量三者之間的沖突限制了它們?cè)诙喾N環(huán)境中的應(yīng)用潛力。

北島自身即注重用新批評(píng)的文本細(xì)讀法分析文學(xué)作品，他說：“英美新批評(píng)的細(xì)讀方法好處是“通過形式上的閱讀，通過詞與詞的關(guān)系，通過句式段落轉(zhuǎn)折音調(diào)變換等，來(lái)把握一首詩(shī)難以捉摸的含義。說來(lái)幾乎每一首現(xiàn)代詩(shī)都有語(yǔ)言密碼，只有破譯密碼才可能進(jìn)入。但由于標(biāo)準(zhǔn)混亂，也存在著大量的偽詩(shī)歌，乍看起來(lái)差不多，其實(shí)完全是亂碼。在細(xì)讀的檢驗(yàn)下，一首偽詩(shī)歌根本經(jīng)不起推敲，處處打架，捉襟見肘。故只有通過細(xì)讀，才能去偽存真。但由于新批評(píng)派過分拘泥于形式分析，切斷文本與外部世界的聯(lián)系，最后趨于僵化而衰落，被結(jié)構(gòu)主義取代?！盵3]

基于以上分析，為了提高低頻隔聲性能，需要增加聲波在低頻的狀態(tài)密度。下面將從基于Helmholtz共振的通風(fēng)隔聲結(jié)構(gòu)以及基于Fano共振的通風(fēng)隔聲結(jié)構(gòu)兩方面，進(jìn)行對(duì)新型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體闡述，使其利用更小的質(zhì)量和體積在有效隔聲降噪的基礎(chǔ)上保證結(jié)構(gòu)具有合適的通風(fēng)面積，使氣流通過，實(shí)現(xiàn)利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)控低頻聲波衰減。

2.1 基于Helmholtz共振的通風(fēng)隔聲結(jié)構(gòu)

Helmholtz共振器是最基本的聲學(xué)共振系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)特征是含有一個(gè)剛性壁包圍的空腔和空腔上一個(gè)很窄的頸部，空腔中的壓縮流體介質(zhì)可以等效成一個(gè)彈簧，而窄頸部中的流體介質(zhì)可以被看成質(zhì)量塊，整個(gè)結(jié)構(gòu)體即可被看作成一個(gè)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)[19]。聲波在進(jìn)入共振器狹窄的頸部通道時(shí)，空腔中的氣體則被壓縮，當(dāng)入射聲波達(dá)到Helmholtz共振器的共振頻率時(shí)，空腔中被壓縮的氣體則會(huì)與之進(jìn)行抵抗，此時(shí)入射聲壓被放大，空腔內(nèi)的聲壓達(dá)到峰值，孔徑處的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈地振動(dòng)，克服摩擦阻力消耗聲能。

Helmholtz共振器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在聲學(xué)超材料隔聲領(lǐng)域中，并且在低頻和輕質(zhì)化設(shè)計(jì)方面具有良好的優(yōu)勢(shì)。Kim[20]等基于衍射理論和聲學(xué)超材料理論提出了一種不影響氣流通過的隔音窗，該結(jié)構(gòu)的每個(gè)聲學(xué)單元都由亞波長(zhǎng)直徑的通氣孔和四周包圍的Helmholtz腔構(gòu)成，因?yàn)橥饪壮叽邕h(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)，入射聲波會(huì)在孔徑處發(fā)揮最大程度的衍射效應(yīng)，環(huán)繞排布的空腔則使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)體積模量，從而實(shí)現(xiàn)聲波的耗散，如圖1(a)所示。該實(shí)驗(yàn)研究了不同個(gè)數(shù)以及不同孔徑的聲學(xué)單元對(duì)結(jié)構(gòu)通風(fēng)隔聲效果的影響，最終得出，四個(gè)空腔、直徑為50 mm的通孔在1 000 Hz和1 600 Hz處產(chǎn)生了隔聲峰值，在實(shí)現(xiàn)通風(fēng)性能的同時(shí)，可降低大約30 ～37 dB的聲衰減，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1(b)所示。

Wu[21]等提出了一種亞波長(zhǎng)、可調(diào)諧的雙側(cè)高效通風(fēng)隔聲體——分裂管諧振器，能夠?qū)崿F(xiàn)單側(cè)入射超過90%的隔聲效果，該結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)Helmholtz共振腔互相嵌套而成，其中腔體頸部相對(duì)且開口方向相反，如圖2(a)所示。每?jī)蓚€(gè)相同但排列方向相反的上述結(jié)構(gòu)拼接在一起，組成的一維陣列構(gòu)成了一個(gè)基本單元，多個(gè)這樣的基本單元組合構(gòu)成的隔聲陣列垂直于聲波傳播路徑，聲波入射后在兩個(gè)反向嵌套的腔體間產(chǎn)生弱耦合，如圖2(b)所示。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明，該結(jié)構(gòu)在343 Hz處的吸聲系數(shù)可以達(dá)到0.899，如圖2(c)所示。

圖1 衍射型隔聲通風(fēng)窗

圖2 分裂管式Helmholtz共振腔結(jié)構(gòu)

Kumar[22]等設(shè)計(jì)了一個(gè)雙開口的Helmholtz共振器，該結(jié)構(gòu)由一個(gè)方形中央通風(fēng)孔和一個(gè)腔體組成，其腔體上兩個(gè)連接側(cè)的內(nèi)側(cè)壁上有兩個(gè)方形頸部，內(nèi)外側(cè)壁之間的環(huán)形空間為Helmholtz腔體，聲波在進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部后因結(jié)構(gòu)與空氣之間的高阻抗匹配會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)于單開口的Helmholtz共振器的聲能耗散，如圖3(a)所示。通過該結(jié)構(gòu)，在頻率為1 000 Hz、保持45%通風(fēng)開口面積的情況下，實(shí)現(xiàn)了峰值法向入射吸聲系數(shù)大于0.96和大約18 dB的窄帶噪聲衰減，如圖3(b)所示。該結(jié)構(gòu)的高效隔聲主要是兩個(gè)方形頸部和Helmholtz腔體之間的耦合所致。

上述研究的Helmholtz共振腔型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工、對(duì)中低頻段的隔聲性能較好。由于結(jié)構(gòu)固定，從而隔聲頻段不可調(diào)，在實(shí)際應(yīng)用中常用作特定頻段的窄帶隔聲。

Nguyen[24]等設(shè)計(jì)了一個(gè)緊湊組裝的狹縫型亞波長(zhǎng)型消聲器，其由空腔和狹縫頸部組成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由于頸部?jī)?nèi)部的摩擦，通過熱粘度實(shí)現(xiàn)聲能的耗散，中空管道則有助于氣流的通過，如圖5(a)所示。實(shí)驗(yàn)仿真表明，在480 Hz至950 Hz的工作頻段上傳輸損耗整體超過30 dB，可以實(shí)現(xiàn)最大約50 dB左右的聲波衰減，如圖5(b)所示。

圖3 雙開口Helmholtz共振器圖

圖4 內(nèi)嵌薄膜的Helmholtz消聲器

圖5 狹縫型Helmholtz諧振器

Li[25]等設(shè)計(jì)了一種具有高效通風(fēng)性能的寬帶緊湊型隔聲結(jié)構(gòu)，其將8個(gè)晶胞連接到空心管，每個(gè)晶胞都由具有深亞波長(zhǎng)微穿孔陣列的雙層超結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中心空口旨在實(shí)現(xiàn)高效能通風(fēng)，如圖6(a)所示。由于微穿孔板具有更高的聲阻抗，在相對(duì)較寬的低頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效聲吸收的同時(shí)，可縮小設(shè)備尺寸并保持70%的橫截面積開放。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)工作的特征頻率與孔隙率呈正比，如圖6(b)所示。

圖6 微穿孔板式Helmholtz隔聲結(jié)構(gòu)

通過結(jié)構(gòu)的調(diào)整，Helmholtz諧振器在向體積小型化靠近的同時(shí)，不僅能對(duì)隔聲帶寬進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻環(huán)境噪聲較為精準(zhǔn)的控制，而且使結(jié)構(gòu)具有一定的開放面積，保證了材料的通風(fēng)性能。而且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，加工較為方便，氣流通道還在一定程度上節(jié)約了隔聲用材，可以廣泛應(yīng)用于綠色建筑領(lǐng)域中。

2.2 基于Fano共振的通風(fēng)隔聲結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，聲學(xué)超材料的概念不再僅限于局部共振或周期性結(jié)構(gòu)，還有盤繞路徑型結(jié)構(gòu)[26]，其基本原理是Fano共振，被廣泛應(yīng)用于聲學(xué)超材料中[27-28]。盤繞路徑型的隔聲結(jié)構(gòu)是指將聲波傳播的通路設(shè)計(jì)為迷宮狀、螺旋彎曲、折疊狀等，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠自由調(diào)控相位延遲。典型迷宮結(jié)構(gòu)及其等效模型如圖7所示，該結(jié)構(gòu)可以等效為充滿各種折射率介質(zhì)的直通道模型[29]，由于空間盤繞路徑結(jié)構(gòu)聲波入口與出口遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)構(gòu)與背景介質(zhì)阻抗匹配程度較小，入射聲波透射率減小，大部分聲波能量被反射。但在盤繞路徑結(jié)構(gòu)共振頻率處，結(jié)構(gòu)阻抗與背景聲阻抗趨于一致，入射聲波透射率明顯提高，產(chǎn)生入射聲波全透射現(xiàn)象。因此，可將盤繞路徑與中空管道耦合，利用Fano共振，在結(jié)構(gòu)共振頻率處產(chǎn)生低透射率區(qū)域，且空氣可經(jīng)由中空管道傳播，從而實(shí)現(xiàn)隔聲通風(fēng)效果。值得注意的一點(diǎn)是，法諾共振中的透射峰位置較盤繞路徑結(jié)構(gòu)本身的共振峰會(huì)發(fā)生紅移(～4%)[30-31]。

Ghaffarivardavagh[32]等設(shè)計(jì)了超開放雙層聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)，它是由中心通孔和六個(gè)以螺旋形式盤繞的空氣通道構(gòu)成，開放區(qū)域占總面積的60%，與波導(dǎo)相比，螺旋通道較小的橫截面積產(chǎn)生較大的聲阻抗，橫向的多螺旋通道結(jié)構(gòu)提高了聲波傳播路徑的長(zhǎng)度，從而提供了較大的有效折射指數(shù)，如圖8(a)所示。實(shí)驗(yàn)表明，在460 Hz附近，透射率降低到最小值約0.06，如圖8(b)所示。在提供了很大程度的開放區(qū)域滿足通風(fēng)需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能隔音。

圖7 典型迷宮結(jié)構(gòu)及其等效模型

圖8 超開放盤繞路徑結(jié)構(gòu)

Yang[33]等提出了慢波超材料開放面板，通過在兩間隔足夠的相同薄板之間插入設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)剛性隔板，由此產(chǎn)生慢波而實(shí)現(xiàn)全局共振，兩薄板中心都有一個(gè)足夠大的方孔，以構(gòu)建一組由波導(dǎo)和幾個(gè)側(cè)分支組成的單元區(qū)域，如圖9(a)所示。剛性隔板中由于幾個(gè)插入的分區(qū)產(chǎn)生多重折射和色散效應(yīng)，使得有效聲波被設(shè)計(jì)為比基礎(chǔ)介質(zhì)(空氣和多孔材料)中的波慢，從而在共振頻率處有效地降低低頻聲的傳輸，局部共振也減少了較高頻率的聲音傳輸。全局和局部共振的結(jié)合有效地實(shí)現(xiàn)了聲音傳輸?shù)膶拵p，慢波概念被證明對(duì)實(shí)現(xiàn)薄而高效的隔音結(jié)構(gòu)具有很大的吸引力。實(shí)驗(yàn)表明，與在3 800 Hz頻率處產(chǎn)生第一個(gè)聲傳輸損耗峰值的標(biāo)稱面板(雙面板結(jié)構(gòu))相比，“四分之一模型”結(jié)構(gòu)的剛性隔板在1 500 Hz處就產(chǎn)生了第一個(gè)峰值，實(shí)現(xiàn)了大約25 dB左右的噪聲衰減，如圖9(b)所示。“半模型”結(jié)構(gòu)則在730 Hz至2 300 Hz頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了低頻寬帶聲傳輸損耗，最高聲傳輸損耗峰值約18 dB，如圖9(c)所示。

Sun[34]等設(shè)計(jì)了一個(gè)具有平面輪廓和亞長(zhǎng)厚度的聲學(xué)通風(fēng)屏障，該結(jié)構(gòu)由一個(gè)中心通風(fēng)孔和兩個(gè)不同螺距的環(huán)繞螺旋路徑組成，兩變螺距螺旋層鏡像對(duì)稱排列，還能夠有效處理來(lái)自不同角度的入射聲波，如圖10(a)所示。圍繞中心通孔螺旋路徑的螺距變化，使得聲波在所需要的寬頻段范圍內(nèi)單偶極模式的響應(yīng)強(qiáng)度保持平衡。實(shí)驗(yàn)表明，在900～1 418 Hz頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)能夠阻隔超過90%的入射聲波，而結(jié)構(gòu)厚度僅為50 mm，如圖10(b)所示，因此可以應(yīng)用至支持寬頻帶降噪且自然通風(fēng)的綠色建筑中。

圖9 剛性平板隔聲結(jié)構(gòu)

圖10 螺旋形盤繞路徑結(jié)構(gòu)

Zhang[35]等基于離散狀態(tài)的共振散射和連續(xù)狀態(tài)的背景散射之間的干涉機(jī)制，提出迷宮結(jié)構(gòu)和空心管道相結(jié)合的二元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖11(a)所示。聲波通過空心管道時(shí)波形不變，產(chǎn)生連續(xù)態(tài)背景散射，在通過迷宮結(jié)構(gòu)時(shí)，可調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)調(diào)整相位延遲，產(chǎn)生離散態(tài)共振散射，二者疊加產(chǎn)生類Fano共振，削弱傳輸能量，實(shí)現(xiàn)聲波的全方位屏蔽并保持高達(dá)63%的通風(fēng)性能，研究結(jié)果表明，在5 900 Hz頻率處，由于晶胞之間的耦合，此時(shí)入射聲能達(dá)到了全反射以及透射幾乎為零的狀態(tài)，產(chǎn)生最大的聲能耗散，如圖11(b)所示。

Ma[36]等設(shè)計(jì)了低頻窄帶應(yīng)用的濾波器，該結(jié)構(gòu)在孔的周圍安裝了四個(gè)相同的薄膜型聲學(xué)超材料，材料由圓形乳膠膜構(gòu)成，在其表面施加了一個(gè)預(yù)應(yīng)力，并在中心放置了一個(gè)圓形剛性盤，如圖12所示。該結(jié)構(gòu)隔聲的根本原因是，在共振頻率下，薄膜型聲學(xué)超材料的諧振場(chǎng)與通過孔的連續(xù)場(chǎng)之間的干涉將會(huì)產(chǎn)生類Fano共振。實(shí)驗(yàn)表明，在326 Hz處可以獲得較高的聲傳輸損耗。此結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于隔離某些特定頻段的噪聲。

基于Fano共振原理的盤繞路徑結(jié)構(gòu)在擴(kuò)大隔聲帶寬方面取得了一些進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)頻段的有效隔聲，與大部分Helmholtz共振器適用于單一特定頻段隔聲的特性互為補(bǔ)充，且對(duì)聲波入射角度不敏感。

圖11 平板類盤繞路徑結(jié)構(gòu)

圖12 薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)及傳輸曲線圖

3 總結(jié)與展望

聲學(xué)超材料憑借其獨(dú)特的尺寸和功能優(yōu)勢(shì)，為通風(fēng)隔聲屏障的設(shè)計(jì)提供了多種可能性。創(chuàng)建負(fù)的聲學(xué)參數(shù)是聲學(xué)超材料的主要目標(biāo)之一，能耗型的Helmholtz共振器和干涉型的Fano共振等聲學(xué)超材料均已得到證實(shí)，因此可將聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用至綠色建筑方面，如通風(fēng)隔聲窗、通風(fēng)隔聲墻等，不但有益于環(huán)境保護(hù)、減少能源資源的投入，而且還能確保降低噪音和氣流通過的品質(zhì)。

目前聲學(xué)超材料應(yīng)用范圍廣，發(fā)展迅速，有著巨大的發(fā)展空間。從制造角度來(lái)說，聲學(xué)超材料具備不同尋常的聲學(xué)特性，是源于其幾何形狀和結(jié)構(gòu)，而不是它們所制造的材料成分特殊，所設(shè)計(jì)的聲學(xué)超材料為亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，目前實(shí)驗(yàn)室研究的模型加工一般以3D打印技術(shù)為主，不便于大批量生產(chǎn)，給實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用造成了一定的困難，可將其應(yīng)用至木結(jié)構(gòu)方面，便于制造各種尺寸范圍的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還在一定程度上節(jié)約了木結(jié)構(gòu)的材料用量。從設(shè)計(jì)角度來(lái)說，當(dāng)前聲學(xué)超材料的研究步驟包括物理建模、仿真模擬、模型制作和聲學(xué)測(cè)量，在確定最終的聲學(xué)超材料模型之前，需要經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，從而使整個(gè)試驗(yàn)周期延遲。目前的算法技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)β晫W(xué)超材料的隔聲性能進(jìn)行比較精準(zhǔn)的仿真，未來(lái)可以結(jié)合人工智能算法，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的限制，縮短研發(fā)時(shí)長(zhǎng)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。就目前發(fā)展階段而言，為提高聲學(xué)超材料寬帶低頻的頻隔聲性能，可采用多種聲學(xué)材料(傳統(tǒng)材料或超材料)相結(jié)合的方式[37]，或是結(jié)合主動(dòng)控制技術(shù)，有針對(duì)性地控制噪聲聲波，獲得更佳的隔聲性能，突破實(shí)際工程應(yīng)用中的問題。

現(xiàn)代社會(huì)人們?cè)絹?lái)越重視生活品質(zhì)的提高，聲學(xué)超材料的發(fā)展與應(yīng)用可以為綠色建筑領(lǐng)域設(shè)計(jì)出更輕便、更環(huán)保、更高效的通風(fēng)隔聲結(jié)構(gòu)，保證人們的身心舒適健康。未來(lái)聲學(xué)超材料將會(huì)成為很有潛力的發(fā)展方向，進(jìn)一步的研究也可能推動(dòng)聲學(xué)超材料在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。