声学超材料在绿色建筑通风隔声中的应用展望

王俪静，吴晓莉

(南京林业大学机械与电子工程学院，江苏 南京 210037)

绿色建筑设计已经成为现代城市可持续发展的必要组成部分，主要是为人类提供环境友好、健康舒适的生活空间，但大多建筑靠近地面交通网，车辆等产生的环境噪声已经成为影响社会可持续发展和居民日常生活的主要污染形式之一，寻求有效的通风隔声方法是发展绿色建筑首要解决的任务之一。

传统的隔音屏障是缓解交通噪声的主要措施之一[1]，建筑立面是高层环境中较为通用的隔声方法之一[2-3]，且不占用土地面积，双层或三层玻璃窗也可以有效地控制噪声[4]。然而，除非安装机械通风，这些传统的隔声措施都是以牺牲室内空气质量为代价的，在现代社会可持续发展的理念下，机械通风一般是不可取的，因为它会产生额外的能源消耗。声学超材料的出现与发展为解决这一问题提供了新的研究方向。

声学超材料是通过对结构的物理参数进行设计，以获得传统材料所不具备的隔声特性的一种人工设计制造而成的特定声结构，不仅提供了前所未有的操纵声波和振动的能力，并且提供了多领域的应用前景，例如声学隐形[5]、亚波长成像[6]、传输或反射控制[7]等。声学超材料起源于局域共振型声子晶体，声子晶体因布拉格散射具有带隙的特性，通过这一特性可以表现出不同寻常的声学材料参数，例如负折射率或强有效质量各向异性[8-9]，隔离某些特定频段的噪声，实现传统材料所不能实现的特殊物理特性，使得通风隔声方面的问题得到有效解决，尤其是在低频隔声方面非常具有实用价值，真正做到了“小体积、超轻薄、大隔声”，成为现代绿色建筑设计中越来越重要的考虑因素。

1 隔声机理

利用材料(构件、结构或系统)阻碍噪声的传播，使通过材料后噪声能量减小的方法称为隔声。隔声材料的隔声性能与材料、结构和声波的频率均有关。隔声材料透声能力的大小，用透射系数τ来表示，它等于噪声通过材料前后的声能量比，即：

(1)

式中：Ei为入射到隔声材料上的能量；Et为透射材料后的能量。透射率是隔声结构或者隔声材料的主要影响因素，声能量透射率越小，隔声量越大，隔声效果越好。

一般隔声材料的透射系数τ很小，使用不方便，因此通常采用隔声量(也称传声损失，单位dB)来评价隔声材料本身固有的隔声能力：

(2)

式中：TL为隔声量；τ为隔声材料的透射系数。

在建筑声学领域中，单层隔墙、双层隔墙或多层复合隔声结构以及复合夹芯板都属于传统的隔声结构，其中，单层均质板(隔板、隔墙等)是应用最为广泛的一种隔声结构，它的隔声量R与面密度M的对数呈正比，即：

R=20lgMf-47.5

(3)

可以看出，面密度或频率越大，隔声量越大。

因此单层隔板等传统结构材料在低频阶段的隔声性能较差，由质量定律[10]可知，要想实现更好的隔声效果，需要增加材料的面密度或是在面密度不变的情况下增加结构的厚度，但这样就会导致结构体积过大[11]，限制了材料在轻薄化场景下的使用，低频段的隔声性能很难提高。

当前，所有隔声结构的作用机理就是使声音无法通过隔声材料，可以通过声波在材料表面的全反射或是在材料结构内部全部消耗完而实现，声学超材料的隔声本质属于后者，通过共振机理改变声波传播路径达到声能耗散的目的。同时由于声学超材料的特殊物理特性在很大程度上提高了结构设计的灵活性，这种材料的结构单元尺度可以显著小于所调控的波长，实现质量密度以及弹性模量均为负值的“双负”特性[12]，在很大程度上降低隔声结构的厚度，突破了传统减振降噪技术的局限性，达到利用更小的体积和质量来实现更有效的隔声降噪，同时不阻碍流体的通过，为声学降噪提供了新的技术途径[13]，为绿色建筑中通风隔声的实际应用开创了新的发展阶段。

2 声学超材料的研究现状及分析

在实际生活中会有一些特殊的场景需要同时降低噪音和气流通过，例如，自然通风作为绿色建筑的关键组成部分，不可避免地会导致居民受到伴随而来的噪音，因此便产生了隔音且透气结构的需求。传统建筑里，窗户是通过改变声波传播路径来实现隔声，带有吸收性衬里或穿孔隔板的蜿蜒路径是有效控制噪声的本质原因[14-16]，但反过来也会产生更大的压降，导致更差的通风效果；百叶窗的设计在一定程度上调和了这一矛盾，廖俊彦[17]对隔声窗安装消声百叶，进行传声损失频率特性分析，发现百叶片数是影响通风隔声性能的重要因素，片数越多，隔声性能越好。再或是依靠阻性消声，通过在建筑物表面安装隔声材料(如隔音墙隔音板)，金伟[18]等在百叶窗上采用了具有优异性能的隔声材料。当无规则的入射声波入射其中，百叶通过往复振荡减少空气阻力，便于通风的同时实现了在宽频谱范围内对声波的吸收，但受限于隔声结构的厚度，低频噪声的控制效果并不理想。因此，通过改变声波传播的路径或者通过隔声材料可以实现隔声效果，但上述两种方法均对中高频段范围内的声传输损失更大，隔声效果更为显著。若想在低频段达到同样的效果则不免会造成体积过大的问题，难以实现结构的轻薄化。传统隔声材料的声学性能、通风效率与体积质量三者之间的冲突限制了它们在多种环境中的应用潜力。

北岛自身即注重用新批评的文本细读法分析文学作品，他说：“英美新批评的细读方法好处是“通过形式上的阅读，通过词与词的关系，通过句式段落转折音调变换等，来把握一首诗难以捉摸的含义。说来几乎每一首现代诗都有语言密码，只有破译密码才可能进入。但由于标准混乱，也存在着大量的伪诗歌，乍看起来差不多，其实完全是乱码。在细读的检验下，一首伪诗歌根本经不起推敲，处处打架，捉襟见肘。故只有通过细读，才能去伪存真。但由于新批评派过分拘泥于形式分析，切断文本与外部世界的联系，最后趋于僵化而衰落，被结构主义取代。”[3]

基于以上分析，为了提高低频隔声性能，需要增加声波在低频的状态密度。下面将从基于Helmholtz共振的通风隔声结构以及基于Fano共振的通风隔声结构两方面，进行对新型声学超材料结构优化设计的具体阐述，使其利用更小的质量和体积在有效隔声降噪的基础上保证结构具有合适的通风面积，使气流通过，实现利用亚波长结构调控低频声波衰减。

2.1 基于Helmholtz共振的通风隔声结构

Helmholtz共振器是最基本的声学共振系统，其典型结构特征是含有一个刚性壁包围的空腔和空腔上一个很窄的颈部，空腔中的压缩流体介质可以等效成一个弹簧，而窄颈部中的流体介质可以被看成质量块，整个结构体即可被看作成一个弹簧-质量系统[19]。声波在进入共振器狭窄的颈部通道时，空腔中的气体则被压缩，当入射声波达到Helmholtz共振器的共振频率时，空腔中被压缩的气体则会与之进行抵抗，此时入射声压被放大，空腔内的声压达到峰值，孔径处的空气产生强烈地振动，克服摩擦阻力消耗声能。

Helmholtz共振器已经被广泛应用在声学超材料隔声领域中，并且在低频和轻质化设计方面具有良好的优势。Kim[20]等基于衍射理论和声学超材料理论提出了一种不影响气流通过的隔音窗，该结构的每个声学单元都由亚波长直径的通气孔和四周包围的Helmholtz腔构成，因为通气孔尺寸远小于声波波长，入射声波会在孔径处发挥最大程度的衍射效应，环绕排布的空腔则使结构产生负体积模量，从而实现声波的耗散，如图1(a)所示。该实验研究了不同个数以及不同孔径的声学单元对结构通风隔声效果的影响，最终得出，四个空腔、直径为50 mm的通孔在1 000 Hz和1 600 Hz处产生了隔声峰值，在实现通风性能的同时，可降低大约30 ～37 dB的声衰减，实验结果如图1(b)所示。

Wu[21]等提出了一种亚波长、可调谐的双侧高效通风隔声体——分裂管谐振器，能够实现单侧入射超过90%的隔声效果，该结构是由两个Helmholtz共振腔互相嵌套而成，其中腔体颈部相对且开口方向相反，如图2(a)所示。每两个相同但排列方向相反的上述结构拼接在一起，组成的一维阵列构成了一个基本单元，多个这样的基本单元组合构成的隔声阵列垂直于声波传播路径，声波入射后在两个反向嵌套的腔体间产生弱耦合，如图2(b)所示。实验与仿真结果均表明，该结构在343 Hz处的吸声系数可以达到0.899，如图2(c)所示。

图1 衍射型隔声通风窗

图2 分裂管式Helmholtz共振腔结构

Kumar[22]等设计了一个双开口的Helmholtz共振器，该结构由一个方形中央通风孔和一个腔体组成，其腔体上两个连接侧的内侧壁上有两个方形颈部，内外侧壁之间的环形空间为Helmholtz腔体，声波在进入结构内部后因结构与空气之间的高阻抗匹配会产生强于单开口的Helmholtz共振器的声能耗散，如图3(a)所示。通过该结构，在频率为1 000 Hz、保持45%通风开口面积的情况下，实现了峰值法向入射吸声系数大于0.96和大约18 dB的窄带噪声衰减，如图3(b)所示。该结构的高效隔声主要是两个方形颈部和Helmholtz腔体之间的耦合所致。

上述研究的Helmholtz共振腔型声学超材料结构简单、便于加工、对中低频段的隔声性能较好。由于结构固定，从而隔声频段不可调，在实际应用中常用作特定频段的窄带隔声。

Nguyen[24]等设计了一个紧凑组装的狭缝型亚波长型消声器，其由空腔和狭缝颈部组成轴对称结构，由于颈部内部的摩擦，通过热粘度实现声能的耗散，中空管道则有助于气流的通过，如图5(a)所示。实验仿真表明，在480 Hz至950 Hz的工作频段上传输损耗整体超过30 dB，可以实现最大约50 dB左右的声波衰减，如图5(b)所示。

图3 双开口Helmholtz共振器图

图4 内嵌薄膜的Helmholtz消声器

图5 狭缝型Helmholtz谐振器

Li[25]等设计了一种具有高效通风性能的宽带紧凑型隔声结构，其将8个晶胞连接到空心管，每个晶胞都由具有深亚波长微穿孔阵列的双层超结构构成，其中心空口旨在实现高效能通风，如图6(a)所示。由于微穿孔板具有更高的声阻抗，在相对较宽的低频段内实现有效声吸收的同时，可缩小设备尺寸并保持70%的横截面积开放。实验表明，结构工作的特征频率与孔隙率呈正比，如图6(b)所示。

图6 微穿孔板式Helmholtz隔声结构

通过结构的调整，Helmholtz谐振器在向体积小型化靠近的同时，不仅能对隔声带宽进行一定的调节，实现了对低频环境噪声较为精准的控制，而且使结构具有一定的开放面积，保证了材料的通风性能。而且结构较为简单，加工较为方便，气流通道还在一定程度上节约了隔声用材，可以广泛应用于绿色建筑领域中。

2.2 基于Fano共振的通风隔声结构

近年来，声学超材料的概念不再仅限于局部共振或周期性结构，还有盘绕路径型结构[26]，其基本原理是Fano共振，被广泛应用于声学超材料中[27-28]。盘绕路径型的隔声结构是指将声波传播的通路设计为迷宫状、螺旋弯曲、折叠状等，通过调整结构参数，能够自由调控相位延迟。典型迷宫结构及其等效模型如图7所示，该结构可以等效为充满各种折射率介质的直通道模型[29]，由于空间盘绕路径结构声波入口与出口远小于结构尺寸，结构与背景介质阻抗匹配程度较小，入射声波透射率减小，大部分声波能量被反射。但在盘绕路径结构共振频率处，结构阻抗与背景声阻抗趋于一致，入射声波透射率明显提高，产生入射声波全透射现象。因此，可将盘绕路径与中空管道耦合，利用Fano共振，在结构共振频率处产生低透射率区域，且空气可经由中空管道传播，从而实现隔声通风效果。值得注意的一点是，法诺共振中的透射峰位置较盘绕路径结构本身的共振峰会发生红移(～4%)[30-31]。

Ghaffarivardavagh[32]等设计了超开放双层声学超材料结构，它是由中心通孔和六个以螺旋形式盘绕的空气通道构成，开放区域占总面积的60%，与波导相比，螺旋通道较小的横截面积产生较大的声阻抗，横向的多螺旋通道结构提高了声波传播路径的长度，从而提供了较大的有效折射指数，如图8(a)所示。实验表明，在460 Hz附近，透射率降低到最小值约0.06，如图8(b)所示。在提供了很大程度的开放区域满足通风需求的同时实现高性能隔音。

图7 典型迷宫结构及其等效模型

图8 超开放盘绕路径结构

Yang[33]等提出了慢波超材料开放面板，通过在两间隔足够的相同薄板之间插入设计的亚波长刚性隔板，由此产生慢波而实现全局共振，两薄板中心都有一个足够大的方孔，以构建一组由波导和几个侧分支组成的单元区域，如图9(a)所示。刚性隔板中由于几个插入的分区产生多重折射和色散效应，使得有效声波被设计为比基础介质(空气和多孔材料)中的波慢，从而在共振频率处有效地降低低频声的传输，局部共振也减少了较高频率的声音传输。全局和局部共振的结合有效地实现了声音传输的宽带衰减，慢波概念被证明对实现薄而高效的隔音结构具有很大的吸引力。实验表明，与在3 800 Hz频率处产生第一个声传输损耗峰值的标称面板(双面板结构)相比，“四分之一模型”结构的刚性隔板在1 500 Hz处就产生了第一个峰值，实现了大约25 dB左右的噪声衰减，如图9(b)所示。“半模型”结构则在730 Hz至2 300 Hz频率范围内，实现了低频宽带声传输损耗，最高声传输损耗峰值约18 dB，如图9(c)所示。

Sun[34]等设计了一个具有平面轮廓和亚长厚度的声学通风屏障，该结构由一个中心通风孔和两个不同螺距的环绕螺旋路径组成，两变螺距螺旋层镜像对称排列，还能够有效处理来自不同角度的入射声波，如图10(a)所示。围绕中心通孔螺旋路径的螺距变化，使得声波在所需要的宽频段范围内单偶极模式的响应强度保持平衡。实验表明，在900～1 418 Hz频率范围内，该结构能够阻隔超过90%的入射声波，而结构厚度仅为50 mm，如图10(b)所示，因此可以应用至支持宽频带降噪且自然通风的绿色建筑中。

图9 刚性平板隔声结构

图10 螺旋形盘绕路径结构

Zhang[35]等基于离散状态的共振散射和连续状态的背景散射之间的干涉机制，提出迷宫结构和空心管道相结合的二元结构设计，如图11(a)所示。声波通过空心管道时波形不变，产生连续态背景散射，在通过迷宫结构时，可调整结构参数来调整相位延迟，产生离散态共振散射，二者叠加产生类Fano共振，削弱传输能量，实现声波的全方位屏蔽并保持高达63%的通风性能，研究结果表明，在5 900 Hz频率处，由于晶胞之间的耦合，此时入射声能达到了全反射以及透射几乎为零的状态，产生最大的声能耗散，如图11(b)所示。

Ma[36]等设计了低频窄带应用的滤波器，该结构在孔的周围安装了四个相同的薄膜型声学超材料，材料由圆形乳胶膜构成，在其表面施加了一个预应力，并在中心放置了一个圆形刚性盘，如图12所示。该结构隔声的根本原因是，在共振频率下，薄膜型声学超材料的谐振场与通过孔的连续场之间的干涉将会产生类Fano共振。实验表明，在326 Hz处可以获得较高的声传输损耗。此结构可应用于隔离某些特定频段的噪声。

基于Fano共振原理的盘绕路径结构在扩大隔声带宽方面取得了一些进展，实现了多个频段的有效隔声，与大部分Helmholtz共振器适用于单一特定频段隔声的特性互为补充，且对声波入射角度不敏感。

图11 平板类盘绕路径结构

图12 薄膜型声学超材料结构及传输曲线图

3 总结与展望

声学超材料凭借其独特的尺寸和功能优势，为通风隔声屏障的设计提供了多种可能性。创建负的声学参数是声学超材料的主要目标之一，能耗型的Helmholtz共振器和干涉型的Fano共振等声学超材料均已得到证实，因此可将声学超材料结构应用至绿色建筑方面，如通风隔声窗、通风隔声墙等，不但有益于环境保护、减少能源资源的投入，而且还能确保降低噪音和气流通过的品质。

目前声学超材料应用范围广，发展迅速，有着巨大的发展空间。从制造角度来说，声学超材料具备不同寻常的声学特性，是源于其几何形状和结构，而不是它们所制造的材料成分特殊，所设计的声学超材料为亚波长结构，目前实验室研究的模型加工一般以3D打印技术为主，不便于大批量生产，给实际生产应用造成了一定的困难，可将其应用至木结构方面，便于制造各种尺寸范围的复杂结构，还在一定程度上节约了木结构的材料用量。从设计角度来说，当前声学超材料的研究步骤包括物理建模、仿真模拟、模型制作和声学测量，在确定最终的声学超材料模型之前，需要经过多次反复试验，从而使整个试验周期延迟。目前的算法技术已经能够对声学超材料的隔声性能进行比较精准的仿真，未来可以结合人工智能算法，优化结构的几何参数，突破传统设计方法的限制，缩短研发时长，提高设计质量。就目前发展阶段而言，为提高声学超材料宽带低频的频隔声性能，可采用多种声学材料(传统材料或超材料)相结合的方式[37]，或是结合主动控制技术，有针对性地控制噪声声波，获得更佳的隔声性能，突破实际工程应用中的问题。

现代社会人们越来越重视生活品质的提高，声学超材料的发展与应用可以为绿色建筑领域设计出更轻便、更环保、更高效的通风隔声结构，保证人们的身心舒适健康。未来声学超材料将会成为很有潜力的发展方向，进一步的研究也可能推动声学超材料在更多领域的应用。