近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院黄震宇团队在基于变换声学的降噪且通流应用方向取得重要进展，相关成果以“Meta-barriers for ventilated sound reduction via transformation acoustics”（通过变换声学实现通风隔音的超屏障）为题，以上海交通大学电子信息与电气工程学院为第一单位发表在International Journal of Mechanical Sciences上。

研究背景

大型动力装备的噪声控制不仅需要采用各种措施来降低声音，还需要确保噪声控制措施的实施对装备通流散热的影响尽可能小。在保持介质有效流动的同时阻断声波的传播是一个违反直觉的物理过程。根据经典波动力学，介质充当声波传播的载体，阻断声波会限制介质流动，从而影响通流散热性能。作为一个具体实用性的研究课题，学者们在解决降噪与通流散热之间的矛盾方面付出了巨大的努力。然而，现有的方案无法兼顾低频宽带声波抑制与高通量介质流动，无法满足大型动力装备的噪声控制需求。

创新成果

针对以上问题，黄震宇团队提出了一种基于变换声学的超屏障（Meta-barrier），用于实现低频宽带降噪，同时保持高通量介质流动。所提出的超屏障由内部空气核心和由具有高阻尼耗散的双负声学超材料制成的涂层组成。与传统屏障不同，超屏障具有远超过其实际尺寸的散射截面，使其能够在增强的阻挡效应之外提供相干干涉效应。而相干干涉效应则可直接降低由开孔辐射的声波辐射效率。此外，涂层中固有的材料阻尼在宽频范围内对超屏障的降噪性能具有积极影响。论文详细推导了超屏障的构成参数，并给出了超屏障与开孔之间的多重散射现象的理论描述。基于有限元数值模型，演示了在大放置距离和宽入射角的情况下超屏障的稳健降噪性能。制备的元屏障样件，具备75%的风速比，可以在500–1000Hz的频率范围内实现卓越的透射声衰减。这项工作对基于变换声学的无源声学装置的设计和开发具有极大的启发和推动作用。

(a) 配置超屏障或泡沫屏障的开放式房间的示意图， (b) 基于变换声学，超屏障包含的涂层在径向方向上从物理空间到虚拟空间的坐标变换，(c) 用于研究具有有限厚度的挡板开孔的衍射以及超屏障和开孔之间的多重散射现象的模型示意图

变换声学的基本原理是通过数学变换，通常为坐标变换，来设计声学材料或结构，从而实现对声波传播的控制。变换声学是一个跨学科的研究领域，它结合了数学、物理和工程学的知识，为声波的控制和应用提供了新的可能性。随着声学超材料技术的发展，变换声学有望在未来的声学研究和应用中发挥更大的作用。

（a）制作的超屏障原理样件照片和双负声学超材料单元示意图，（b）使用四传声器法测量双负声学超材料单元散射参数实验装置

(a) 用于测量超屏障、泡沫屏障、硬壁屏障降噪性能的实验装置照片，(b)、(c) 配置不同屏障的频率响应函数幅值比较

这项工作可视为基于变换声学的超屏障实现低频宽带降噪和高效通流应用的前奏。后续研究工作包括使用更多的单元组成层来构建双负声学超材料涂层以接近连续梯度阻抗，制造三维超屏障并在真实房间尺度进行试验验证，平面结构形式设计的超屏障以减少空间占用，并寻求更容易生产和更具成本效益的制造超屏障的技术以促进其实际应用。

研究团队

上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院助理研究员王晓乐为论文的第一作者和通讯作者，硕士研究生徐思齐为共同第一作者。

王晓乐曾以第一作者/通讯作者在International Journal of Mechanical Sciences、Composite Structures、Physical Review Research、Applied Physics Letters等国际著名期刊发表高水平学术论文30余篇，相关成果被 “美国物理联合会科学之光栏目”“IOP China”等媒体报道。

黄震宇团队长期致力于设备减振降噪、声学检测、声场调控、声学计算等方面的科学研究，以及相关智能声学仪器设计、制造、集成等技术研发，航空声学超材料研究成果入选国家“十二五”科技创新成就展。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109262