通过附加等效刚度在腔体式吸声超材料中拓宽带宽

为什么低频更安静的空间很重要

许多令人烦扰的噪声——隆隆的交通、飞机掠过的声音或重型机械的震动——都集中在约500赫兹以下的低频范围。这些声音传播距离远、容易穿透墙体，不使用厚重体积材料就难以阻隔。本文所述的研究提出了一种新方法，能够制造薄型墙板更高效地吸收宽带低频噪声，为在不占用额外空间的情况下让家庭、交通工具和工作场所更安静打开了可能性。

当今吸声板的局限

传统的吸声板通常依赖隐藏的充气“腔体”以及将声能转化为热能的小孔或通道。每个腔体的工作方式有点像调到一个音高的乐器：它在某一频率上表现很好，而在其他频率上效果较差。为了扩展有效频带，工程师通常会增加不同尺寸的腔体或与多孔材料结合。但问题是，工作频率与腔体体积以及其墙壁作为理想刚性壁的假设紧密相关。因此，获得更多低频“音色”通常需要更大或更多的腔体，这与追求紧凑面板的目标相冲突。

把刚性墙变成智能闸门

作者指出，真正的瓶颈不在腔体本身，而在墙壁强加的刚性规则：它们要么完全困住声音，要么完全无视声音，缺乏灵活性。为打破这一约束，他们提出用所谓的带通声学阀——带小配重的薄金属板——替换部分刚性隔板。这些阀像智能闸门，在大多数频率下保持“关闭”，但在选定频段“打开”，只在这些频段允许声音在相邻腔体之间传递。闸门闭合时，各腔体作为独立谐振器；闸门打开时，腔体合并成更大的联通空间，具有不同的“弹性”特性，从而在不改变面板总体尺寸的情况下提供新的声能吸收途径。

额外“弹性”如何拓宽安静区

通过数学模型和数值仿真，团队将这种行为描述为对系统添加“等效刚度”——类似插入可调弹簧以改变腔内空气的运动难易。通过精心选择阀门开启的频率范围，他们能将此前反射声能的区域（位于两个吸收峰之间的反谐振缝隙）转变为新的吸收带。在对两个并列腔体并以微穿孔板封闭的实验中，将完全刚性的隔板替换为阀式边界后，强吸收峰的数量从两个增加到三个，均出现在低频段，总体吸收提高了约20%。

设计更好的声学阀

基本阀由薄钢板与附着的小铅块组成。由于此类薄板天然只在窄频带内振动，作者系统性地调整其几何参数——板厚、配重尺寸与位置——以确定阀门的开启频段与开启强度。他们探讨了并联多个阀、以及使配重不对称以让单个阀产生两个不同通带的方案。该策略在原有吸收峰之间产生多个额外吸收峰，有效地将低频范围切分成多个子带，使同一紧凑面板能覆盖更多频段。与此同时，他们也发现权衡：阀门过多或板材过于柔性会在本应保持刚性的频段产生日漏，削弱原有吸收峰。

从理论到可工作样品

为验证该想法，研究者制造了一个厚度为70毫米的测试样品，包含两个单元格和两个优化的阀门，采用3D打印框架、薄钢板及铅块制成。在声波导管中用精密麦克风测量显示，在200至800赫兹之间出现六个明显的吸收峰——其中两个来自原有腔体，四个由阀门产生。与同等厚度的传统设计相比，该频段的平均吸收提高约41%，更重要的是，可用带宽扩大了65%，证实了附加的“智能”刚度在不增大器件体积的前提下成功解锁了宽带低频性能。

这对日常噪声控制的意义

通俗地说，这项工作将一组刚性、单音的声陷阱变成了一个紧凑的、多音的低频“均衡器”。通过让腔体墙在频率上选择性地连通或断开，面板可以同时针对多个令人头疼的低音范围，而保持薄型结构。这类技术可用于抑制飞机客舱发动机噪声、平滑汽车或列车内的低频轰鸣，并改善空间受限建筑中的声学舒适度。更广泛地说，它展示了如何通过巧妙设计内部构件的运动，使原本简单的结构表现出更灵活的声学特性。

引用: Wang, L.B., Wu, J.H. & Zhang, J.F. Bandwidth broadening in cavity-type sound-absorbing metamaterials via additional equivalent stiffness. Sci Rep 16, 13187 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43861-6

关键词: 声学超材料, 低频噪声, 声吸收, 带通声学阀, 噪声控制