声学超构表面-物理杂志.PDF

esotar2 的振膜的内表面也经过特殊处理，减少向后的声波反射，而且esotar2的腔室是密封的，经过声学处理，能有效减少向后的声波反射。把低频陷阱至于墙角处和声波节点处，就可以起到低频的控制作用，但需要声学软件的测算实际的效果。对内，此段声波在箱内各反射面产生多次反射声波，会对振膜产生调制振动，干扰了电信号还原声波的振动，背辐射声波的干扰振动，是箱内各反射面上一二三四五……等无数次反射声波的混合体，是一种复杂混杂声波的干扰振动，它对振膜所产生的干扰振动与电信号产生的还原声波的正常振动互相叠加的结果，使正面辐射声波的清晰度打了折扣，造成解析度降低，使原本因该听到的音乐细节被淹没掉，不同材质的振膜，不同阻尼系数的振膜，不同复合工艺的振膜，对消除背辐射干扰振动的能力是不同的，在设计振膜时必须考虑到这一重要因素。

根据经 理的学科。简单高效地调控声波是声学研究的基典声学理论，通过自然材料的声学属性来调控声 本问题和追求目标。随着工业化的迅猛发展和人波存在一些限制，如无法使用小尺寸结构来调控 口的急剧增长，在航天航空、国防等领域以及人大波长声波等。这点在人们的日常生活中也有所 们的现实生活中涌现出大量的声学问题，比如飞体现，如常规的隔声材料(墙等)可隔绝高频声波却无法有效隔绝波长较长的低频声波；吸声棉在 * 国家自然科学基金(批准号：11704284) 、上海市浦江人才计划(批准 号：17PJ 1409000)资助项目低频区的吸声能力比较微弱等。这一限制使得在·46 卷 (2017 年) 11 期· 721 · 声学专题机、潜艇等现代装备提供更加卓越声学性能的同时节约大量空间，提升我国在该领域的核心竞争力。在与人们生活息息相关的噪声控制中也有着极大的应用价值，有望降低环境噪声污染，改善人们的生活质量，提升人们的幸福指数。2 反射型声学超构表面2.1 广义斯涅耳定理复杂声场的构建等诸多声学问题都可归为有效调控声波波阵面。根据斯涅耳定律(Snell'sLaw) ，当声( 光) 波入射到两种不同介质的界面时，入射角等于反射角( θ = θ ) ，如图1(a)所示，r i这是切向动量连续的必然结果。

对于介质1传输的光在介质1和2的界面1-2反射的反射系数是r12n2n1n1n2，而且是正数，表明没有相位变化。由于超声脉冲在缺陷界面的反射折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于在界面上产生波形转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。音箱的分类有不同的角度与标准，按音箱的声学结构来分，有密闭箱、倒相箱（又叫低频反射箱）、无源辐射器音箱、传输线音箱之分，它们各自的特点详见相关问箱。

esotar2 的振膜的内表面也经过特殊处理，减少向后的声波反射，而且esotar2的腔室是密封的，经过声学处理，能有效减少向后的声波反射。频响范围是说频率响应的范围，从声学角度上来说是声音以波的方式存在并传播，声波的震动形成频率，声波的单位则为hz。当声波沿管路传播到三叉点时，由于声阻抗失配，大部分声波向声源方向反射回去，还有一部分声波由于共振系统的阻尼作用转化为热能而被吸收，从而达到消声的目的［7］． 假设在管道内轴向以平面波的形式传播，忽略主管道及共振腔内流体的黏性力，则传递损失为。

双光纤准直器11内安装有两根平行的光纤，分别是入射光纤与出射光纤，输入线偏振光li从外界经入射光纤入射，输出线偏振光l2从出射光纤出射，线偏振光li从入射光纤的输入端口输入后经过透镜12准直输出到渥拉斯顿棱镜13，线偏振光li经渥拉斯顿棱镜13调整角度后输出相位延迟装置14，线偏振光li经过相位延迟装置14进行相位延迟后输出到反射镜15，反射光l4从反射镜15反射出去后再经过相位延迟装置14进行相位延迟后输出到渥拉斯顿棱镜13，渥拉斯顿棱镜13起分束作用，分出线偏振光l2和线偏振光l3，线偏振光l2经过透镜12后由出射光纤的输出端口输出，线偏振光l3经过透镜12由入射光纤的输入端口输出。声波在声场内传播而不发生反射的声场称为自由声场(自由场)。设计合理的迷宫式音箱，在喇叭单元工作时， 辐射出的声波如与喇叭单元前面的声波相位相反，迷宫内的放音管道应该起抑制作用。

图3(a)给出了用于调控反[7 ，12] 射声波的超构表面人工结构的基本单元 ，是 由5 根柱子(灰色部分，其中上部分为3 个，下部 分为2 个) 交叉排列和上下2 根横向平板(深黑部 分，厚度为t)构成空气管道厚度为d 的迷宫。入 射声波P 沿－x 方向传播，由A 区域进入迷宫，i 传播至J 区域后被硬边界全反射返回至A 区域， 形成反射波P 。通过调节横向平板的厚度t 以及柱r图2 折叠空间构成的迷宫型声人工结构，其可被等效为填 子的数量，反射声波相位可以覆盖2π范围( 图充低声速(高折射率)介质的直管道 3(b)) ，其中(3 ，2)代表基本 单元上部分和下部分的柱子 数量分别为3 和2 。通过图3 (b) 中8 个点对应的t 值可构 建8 个基本单元，具体几何 结构如图3(c) 中3D 打印样 品所示，1—8 号单元分别 实现0 到2π范围内间隔为 π/4 的相位调控。这里需要 说明的是，单单采用(3 ，2) 构型即可实现2π范围的相 位声学超构材料，然而采用数量较多的柱 子构建的迷宫空气管道厚度 图3 (a)基于空间折叠的迷宫型超构表面结构单元示意图；(b)超构表面的反射相位图，声 d 较小，根据声学理论，细 波频率固定于3430 Hz ；(c)构成完全可控相位所需的8 个迷宫型单元样品图；(d)实验测量示 管中的粘滞损耗较大，导致 意图·46 卷 (2017 年) 11 期· 723 · 声学专题2πæ 22 2 2 ö受到的基本制约，有望在建筑声学及噪声控制等ϕ y = f + y -f - f +f . (2)( ) ç( ) () ÷λ0 è ( x y ) x y ø领域带来技术变革，并产生显著的社会效益与经图4(b) 给出了(2) 式描述的沿y 方向的相位分布济价值。

同轴单元，是高音单元和低音单元的组合体，高音巧妙地放置在低音振膜的中心处，因此能保证高、低音的声学中心是同一个点，从而解决了相位偏差的问题。由于上方的房间单元首先接受光照，因此若不对透光通道3表面进行处理，则上方的房间单元所获得的光照强度应当强于下方的房间单元，对于这种情况，可使所述透光通道3表面镀上反射膜，且所述反射膜的反射率从透光通道3的上方至下方逐渐降低。同轴音箱用的是同轴单元，这种单元实际上是高音单元和低音单元的组合体，高音巧妙地放置在低音振膜的中心处，因此能保证高、低音的声学中心是同一个点，从而解决了相位偏差的问题。

另外，过大(Schroeder diffuser)。由于超构表面具有超薄、平的噪声会降低装备中精密仪器的精度，影响其使面、相位可完全调控等优势，基于声超构表面构用性能。[24]在实际噪声振动控制中，由于普通材料的固建的人工施罗德扩散体 可将传统施罗德扩散体的厚度由波长的1/2 减小至1/20 ，解决了传统施有耗散在低频区域很微弱，很难利用常规声学材罗德扩散体长期以来在器件尺寸和几何形状方面料来有效调控低频声波振动。根据经典声学理论，声学材料的结构尺寸须与工作波长处于同一数量级，这也就意味着为了较好地吸收低频噪声振动，需要采用厚度为分米甚至米量级的材料，而现代装备系统需要在一定的空间内装备大量的元件，使用如此厚的结构在现代装备等空间有限的情况下不具备实际应用可能。因此，利用小尺寸结构来实现对低频声波和振动的高效调控是极具挑战和亟待解决的科学难题，也是设计现代装备长期追求的目标。图4 (a) 聚焦到(f ，f )原理示意图；(b)沿y 方向所需相位分布图；(c)解析、(d)数值模拟、x y为了尝试解决低频噪声(e)实验测量得到经超构表面反射后形成的聚焦声场对比图控制难题，我们提出了基于· 724 ··46 卷 (2017 年) 11 期 图5 (a)基于超构表面的完美吸声体，由穿孔板(灰色透明区域)和共面迷宫腔(黄色区域)构成；(b)阻抗分析和数值模拟得到的超构表 面的吸声系数；(c)超构表面的等效声抗y 和等效声阻xss[25] 超构表面的低频完美吸声体 ，如图5(a)所示， 射波的能量会被超构表面完全耗散掉，实现完美 其由穿孔板(灰色部分)和共面迷宫腔构成(黄色部吸声( 图5(b))。

为了验证数值模拟的可靠性，我[26] 分)构成，平面声波沿z 方向传播，声波经由穿孔们又采用传统穿孔板理论进行分析 ，首先可分 板上的孔进入共面迷宫腔，并由迷宫腔末端全反别得到穿孔板和共面迷宫腔的等效阻抗，并通过 射再从穿孔中出射，形成反射波。从声学原理来串联最终得到整个结构的等效阻抗，从图5(b)可 看，该结构的声学特性可用等效阻抗边界表示， 以看出，基于阻抗分析和数值模拟的吸声系数吻 这也就意味着反射声波的特性可由阻抗边界来完合。图5(c)给出了超构表面等效声阻和声抗的曲 全确定。阻抗边界z 可表示为线图，在完美吸声的频率，声抗为0 ，声阻为1，sz s = x s + iy s ，(3)满足(4)式达到完美吸声的条件。xy该结构的吸声机理在于，穿孔板的孔径尺寸 其中 为声阻，作用于反射声波的幅值， 为ss 声抗，表现为延迟反射声波的相位。在利用反射与边界粘滞层的厚度可比拟，故而穿孔中的粘滞损耗无法忽略，并可被等效为声阻x 和声抗y ， 型超构表面调控反射波波阵面时，由于采用了较hh 宽的迷宫管道，超构表面中的损耗可忽略，入射共面迷宫腔可通过调节迷宫折叠的程度得到合适的声抗y ，使得结构总声抗为0 ，y=y +y = 0 ， 能量经历全反射过程，超构表面可等效为纯抗边cs h c 界。

3、隔音性能 岩棉、矿渣棉制品具有优良的隔音和吸声性能,其吸声机理是这种制品具有多孔性结构，当声波通过时，由于流阻的作用产生摩擦，使声能的一部分为纤维所吸 收，阴碍了声波的传递。声波撞击材料表面，部分被反射回去，部分被板材吸收，还有一部分穿过板材进入后空腔，大大降低反射声，有。穿孔板吸声的机理是，当声波进入小孔后便激发空腔内空气振动，如果声波频率与该结构共振频率(可将穿孔板吸声结构理解为许多亥姆霍兹共振吸声器的并联)相同时，腔内空气便发生共振，此时空气质点与孔壁以及其后的多孔吸声材料发声剧烈的摩擦而转化为热损耗，声能的消耗即引起吸声作用，因而表现出较大的吸声系数。

国际竞争力，在实际的民用噪声控制应用中可以s从数值模拟的结果可以看出，图5(a) 中所示降低环境噪声污染，改善人类的生活质量，提升 的超构表面的吸声系数在125 Hz 附近可达1，入人类的幸福指数。·46 卷 (2017 年) 11 期· 725 · 声学专题速分别是1.21 kg/m3 和343 m/s ，水的相应密度和3声速为1000 kg/m 和1500 m/s ，钢的密度和声速3分别是7800 kg/m 和6100 m/s 。可以看出，自然材料的密度和声速基本上同趋势增加或减小，在增加声速的情况下，无法保证阻抗不变。4.1 自弯曲声束为了解决这一难题，我们提出了耦合共振型[13]超构表面单元 ，其由4 个亥姆霍兹共振腔串联排布和一个矩形直管道构成 ，横向宽度为h = λ/ 10 ，沿传播方向的厚度为w = λ/2 ，如图6(a)所示。利用直管中的Fabry—Pérot 共振和4 个亥姆霍兹共振腔的共振之间的耦合，这种超构表面单元仅需通过调节矩形直管的高度h ，即可实现1在全相位范围内调控透射声波相位的同时具有接近于1 的透射率，如图6(b)所示，克服了传统材图6 (a)透射型超构表面的基本单元，由4 个亥姆霍兹共振料中无法同时实现声速可控和阻抗匹配的条件的腔串联和相邻单元之间形成的直管(高度为h )构成；(b)基本1困难。

反射光的颜色取决于材料吸收何种波长的光并反射何种波长的光，因此必须要有光照在材料表面，材料表面才能反射光，如各种执照牌、交通标志牌等。（3）到达地表的电磁波与地表相互作用：不同的波长到达地表，被选择性的反射、吸收、透射和折射。上述两个实施例中，分别采用由反射镜面4和凸透镜6构成的光学装置，将近似竖直向的光照偏折成斜向光照，引入所述透光通道3，由于构成透光通道3的透光材料，如玻璃，在透光的同时，均具有反射性，因此，入射光将在所述透光通道3内由上至下重复透射和反射的过程，其光路如图i、图2中虚线所示，由几何光学可知，从所述透光通道3上方至下方的各房间单元2，可获得相同角度的透射光，从而使建筑楼i的上方至下方，围绕所述透光通道3的房间单元2，均具有相近的光照效果。