扇形迷宫超材料的宽频带隔声与通风多功能设计研究

【编辑推荐】本研究针对低频噪声控制与通风需求难以兼顾的难题，通过空间卷曲策略设计出四级扇形迷宫谐振器超材料。采用阻抗管STL测试和数值模拟证实，Level-1结构在937–2078?Hz实现55%频段覆盖率，高阶结构通过Fano共振产生多频带隙，为建筑声学与节能设计提供可定制化解决方案。

　　

噪声污染治理一直是城市可持续发展的重大挑战，传统隔声材料在低频段表现不佳且阻碍空气流通。声学超材料（Acoustic Metamaterials）因其亚波长尺度调控声波的特性崭露头角，但现有设计普遍存在频带窄、调谐性差的问题。尤其需要同时满足通风需求的开放式结构中，如何实现宽频隔声成为行业痛点。

为解决这一难题，研究人员提出了一种创新的扇形迷宫超材料设计。该研究通过空间卷曲（space-coiling）策略构建了四级谐振器结构：Level-1采用全同扇形谐振器环形排列，Levels 2-4分别引入2-4种异质谐振器。通过阻抗管声传输损耗（Sound Transmission Loss, STL）测试和数值模拟发现，Level-1在937–2078?Hz区间产生覆盖55%目标频段的宽禁带，而高阶结构通过Fano共振（源于谐振器有效长度与声波的干涉效应）形成多禁带特性。这种"拼图式"设计方法为建筑通风窗、工业消声器等应用提供了高可调谐的解决方案。论文发表于《Extreme Mechanics Letters》。

关键技术包括：1）基于空间卷曲的扇形谐振器参数化建模；2）阻抗管ASTM E2611标准STL测试；3）有限元法声场模拟；4）3D打印快速成型技术。

【Designs】
通过n等分圆形排列谐振器构建单元结构，如6个1/6扇形谐振器构成Level-1基础单元。五层单元堆叠形成测试样本，中央保留通风通道。

【Results and discussion】
Level-1的3?(1/3)结构在2000?Hz以下呈现两个禁带，STL曲线显示937–2078?Hz宽禁带对应55%覆盖率。高阶结构中，异质谐振器产生的多Fano共振峰使Levels 2-4分别实现50%、40%、30%的频段覆盖，证实谐振器多样性可精准调控禁带分布。

【Conclusion】
该研究开创性地通过扇形迷宫谐振器环形阵列实现隔声-通风双功能：1）Level-1结构适合宽频需求，2）高阶结构通过Fano共振实现多频段精准调控。3D打印验证了该方法的工程可行性，为智能建筑声学设计提供新范式。

这项工作的核心价值在于将基础物理现象（Fano共振）转化为可工程化应用的模块化设计，其"即插即用"特性显著降低了声学超材料的定制门槛。Hedayati Reza团队提出的分级策略，首次在单一结构中实现了禁带数量与位置的自由调配，标志着声学超材料从单一功能向多功能集成的重大跨越。