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我们能够清晰地将 声学材料系统中的一般问题作

作者:5分赛车时间:2021-01-25 01:08

  一、引 言 声学材料详解 声学是研究声波在不同介质中的传播的物理现象的科学,是物理学 的一个重要分支。也有人说声学是物理学的第一学科,如果是从字母顺 序来看的话。声学,以及在此基础上孵化的技术、产品就像次声波一样, 虽然你并不能完全感受到它的存在,但是却渗透到了我们日常生活的方 方面面。 图 1. 声学学科与应用领域环状图 我们日常接触到的最平常的声学产品就是手机的扬声器和麦克风, 这种最简单直白的信息的采集和传递,就是千千万万个微小的微电子声 学元件(MEMS)在手机壳体内部默默地工作。我们习以为常的汽车喇叭、 自行车铃铛,这样简简单单的声学产品在某种意义上已经保护了人类上 百年。甚至在你家中看不到墙体内部就分布着为数不少的保温材料,但 是这些保温材料同样起到了吸收和隔离噪声的作用。 从物理视角来看,声波作为一种弹性波,必须依托介质来进行产生 并传播。不管是我们想要消除或者生产声波,还是对其进行人工调控, 对传播介质的研究,即对材料的研究,正是声学研究中必不可少的一部 分。虽然关于声波在常规介质中的传播的基础研究成果早在 19 世纪末有 基本定论,但是随着工业革命的到来,大机器的运用带来无可避免的噪 声问题,人类面对的声学系统的复杂程度成几何级数型上升。而随着 20 世纪末信息革命的到来,我们观察调控物理环境的能力更是有了质的飞 跃。两者的结合,给声学材料的研究带来了突破性和革命性的进展,将 对声学材料的研究推进到了一个前人完全无法企及的深度度和广度。哪 怕是瑞利爵士 穿越到了我们所在的时空,也需要向我们来了解最新的声 学知识。 二、声学材料系统的基本物理模型 题记: 万变不离其宗 ——出自《荀子·儒效》 从物理的角度,我们可以把所有声学问题归纳为一个最简约的物理 模型。声波由声源(Source)产生,经由介质(Medium),由接收器 (Receive r) 接 收 。这 里 的 声 源 和 接 收 器 都 可 以 是 包 括 人 在 内 的 生 物 、包 括 麦克风在内的一切机器或者不同于传播介质的另一种物质。传播途径即 传播介质可以由固体、液体或者气体中一个或多个构成。而我们大家都 在中学时学过声音的三要素,即响度(Loudness)、音调(Tone)和音色 (Timbre),转换为我们现在熟悉的物理语言,三者分别对应声波的强度 (Amplitude)、频率(Frequency)和频谱(Spectrum)。上述的六 大要素一起构成了最简约的声学物理模型。 图 2. 左:方波的傅里叶级数展开可视化效果; 右:声波传播的三大要素 声学下属的不同方向,对这六大要素的研究各有偏重,构成这六大 要素的材料也各有不同。材料声学,尤其是应用于噪声治理的材料声学, 关注对声学材料内部吸声和隔声机理的研究(介质),通过对频谱的控 制,探寻对噪声的控制。 在线性的噪声问题中,我们依据能量守恒定律,即针对一个特定频 率,声学材料吸收的能量加上其反射的和透射的能量等于系统的总能量, 将声学材料这一系统以其系统的总能量为底进行参数化处理,可以给出 以下的方程, 1=A(f)^2+R(f)^2+T(f)^2, 其 中 ,A(f ) 为 频 率 相 关 的 吸 声 系 数 ,R(f) 为 频 率 相 关 的 反 射 系 数 ,T(f) 为与频率相关的透射系数。 这个方程有几个特殊的解,分别对应我们在工程中遇到的几大类问 题: 1)当 T(f)=0,A(f)^2=1-R(f)^(2); 解 1)对应吸声问题。在纯粹的吸声问题中,我们不考虑透射系数 即 T(f)=0,假设在声学材料后边界条件为绝对刚性。在这一问题下,我 们追求不断提高吸声系数,以减小反射的能量。当达到 A(f)=0,R(f)=1 时,就达成了狭义上的完美吸声。 图 3. 一种实现了狭义完美吸声的声学超构材料 2)当 T(f)=1,A(f)=R(f)=0; 解 2)对应声学隐身问题。在透明问题中,我们希望在声波不受阻 碍地通过声学材料,而不被声学材料中的物体所影响。站在系统外观察 者的角度,声学材料和被材料所遮盖的物体并不存在,从而实现了声学 隐身(acoustic stealth)。 3)当 R(f)=1,A(f)=T(f)=0; 解 3)对应完美反射问题。在理想条件下,声学材料能够完全反射 入射的声波,而不使能量透过这一系统。一般来说,隔声量与材料的质 量成正相关关系,这一关系又被成为质量定律,对传统材料而言只有当 材料的面密度无限大时,才能实现完美的隔声。 另,在这一问题中,当我们同时引入 T(f)=0 作为边界条件时,站在 系统外观察者的角度,声波没完全反射,被其所遮盖的物体并不存在, 从而实现声学斗篷(acoustic cloaking)的功能。诚然,此处我们只是 简单地从能量的观点简要描述声学隐身和声学斗篷的概念。 图 4. 左:隐身概念图; 右:世界首例通过实验验证的声学斗篷 4)当 A(f)=1,T(f)=R(f)=0。 解 4)对应完美吸声问题。在不假设 T(f)=0 的情况下,声学材料能 够完全反射入射的声波,而不使能量透过这一系统。这样的材料一般需 要使用多种不同的声学材料复合而成,是当前声学材料应用的主要发展 方向。下面我们将主要讨论不同的声学材料在噪声治理方面应用。 通过对声学材料系统基于能量守恒观点的思辨,我们能够清晰地将 声学材料系统中的一般问题作出简单的归纳和总结,并以此为依据从基 础科学研究的角度以物理现象为依据对声学材料进行粗略的归类。下面 我们会沿着这一思路继续介绍传统声学材料以及在此基础上发展出来的 最新研究成果。 图 5. 左:多层复合声学材料; 右:通过多层复合实现了完美吸声的一种声学超构材料 三、传统声学材料简介 题记: 大音希声,大象无形 ——出自《道德经》 在现代社会的日常生活中,噪声是再寻常不过的事情了。人口高度 密集的城市中的喧嚣自不用说,哪怕是农村生活也不能远离噪

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