导读
在传统的声学/机械超材料/超表面设计中，人们只关注液体介质或固体介质中的声波或弹性波现象，以简化其物理模型。在实际情况下，固体振动会将声音辐射到周围的液体介质中。同时，声波在超材料/超表面内部或沿超材料/超表面传播，通过流固界面耦合激发固体内部振动。因此，在声-力学超材料/超表面设计中，同时考虑声波和弹性波的传递和能量转换是有意义和必要的。
针对上述问题，东南大学张辉教授团队设计了一种基于非局域耦合效应的吸声减振双功能声-力学超表面(NAMM)。NAMM在267 ~ 638 Hz范围内的平均吸声系数大于0.9，在490 ~ 920 Hz范围内的振动级差为18.75 dB，该结构可以应用于航天器、海空装备、轨道交通等设施的减振降噪领域。相关成果以“Nonlocal acoustic-mechanical metasurface for simultaneous and enhanced sound absorption and vibration reduction”为题发表于材料领域TOP期刊《Materials & Design》(https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113120)。
研究背景
近年来随着走进深蓝，建设海洋强国的国家战略逐步推进，对于海空装备的减振降噪性能要求不断提升。传统的超材料/超表面大多聚焦于声学或力学方面的单一特性，利用周期性结构和带隙特征实现其技术目的。在复杂的环境中，噪音与振动问题犹如一对孪生兄弟，往往同时出现。这就为多功能的声振超材料/超表面提供了应用场景。
研究亮点
与其他声-力学超材料/超表面利用周期结构与带隙特征实现多功能不同，本研究通过引入负泊松比双箭头骨架和多孔介质，构造非局域区域，在改变传统Fabry–Pérot共振超表面通过单个空气通道共振的吸声机制上，增加了吸声通道之间的横向耦合效应，进一步提升了吸声效果。本研究将原有的声学硬边界替换为双箭头骨架与多孔介质，在引入非局域效应的同时，也提升了超表面的力学减振性能并减轻了结构的质量。
图1 非局域声-力学超表面(NAMM)的结构图
图2 非局域区域与局域区域分布图
本研究对比了Fabry–Pérot共振超表面与NAMM的吸声效果，展示了传统Fabry–Pérot共振通道和负泊松比双箭头骨架与多孔介质构成的非局域区域对吸声效果贡献，并对其展开了理论分析与实验验证。
图3 吸声效果对比
本研究引入了机械阻抗的概念，通过加速度振动级差对NAMM的减振性能进行定量描述。负泊松比双箭头骨架在收到冲击振动载荷时的吸能特性，改善了整体结构的减振性能。
图4 加速度频响曲线与振级差曲线
总结与展望
本研究设计了一种非局域声-力学双功能超表面。不同于基于周期结构与带隙特征的传统超表面，本研究利用相邻单元之间的横向非局域耦合，获得更高的吸声系数或更好的减振性能，与其他多功能超表面相比较具有低频吸收、连续宽带吸收、轻量化等优势。本研究有利于广泛的声学振动工程应用，并可以为下一代航天器，飞机，深海水下航行器，汽车和轨道交通设施等中的吸声和减振设备开辟道路。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及东南大学博士生创新能力提升计划的支持。东南大学机械工程学院张辉教授与朱一凡教授为上述研究的通讯作者，东南大学机械工程学院博士生曾昊晗为上述研究的第一作者。