梯度声学超材料中非局域耦合效应的宽带隔声增强机制研究

为解决传统局域共振声学超材料在宽带隔声中存在的多重隔声谷问题，研究人员创新性地提出梯度通道非局域耦合设计。通过引入非局域共振态（nonlocal resonance），使相邻单元产生协同作用，将相位抵消效应扩展至整个超材料体系。实验证实该设计在400-2500 Hz频段隔声性能提升15.8%，双层结构平均声传输损失（STL）达32.8 dB，为深亚波长尺度宽带噪声控制提供了新范式。

　　

噪声污染治理一直是环境声学领域的重大挑战，尤其在航空航天、高铁等场景中，低频宽带噪声的控制尤为困难。传统局域共振声学超材料（local-resonance acoustic metamaterials）虽能实现亚波长尺度的声波调控，但其平行排列单元产生的离散共振峰会在隔声频谱上形成“锯齿状”曲线，导致多个隔声谷（insulation valleys），严重限制实际应用。如何突破局域共振的空间限制，实现连续宽带隔声成为研究瓶颈。

针对这一难题，湖南大学的研究团队在《Extreme Mechanics Letters》发表创新成果，提出基于非局域耦合效应（nonlocal coupling effect）的梯度声学超材料设计框架。该研究通过理论建模、数值仿真和实验验证三重手段，揭示了非局域区域作为次级声源（secondary acoustic sources）的物理机制：相邻单元间的横向耦合可重塑粒子流动，使相位抵消效应覆盖整个超材料结构，从而消除隔声谷。研究显示，非局域设计在400-2500 Hz频段的平均隔声性能较传统平行结构提升15.8%，而结合局域/非域设计的双层超材料更实现32.8 dB的平均STL，厚度仅λ/167（λ为波长），突破深亚波长（deep-subwavelength）尺度限制。

关键技术包括：1）建立非局域耦合理论模型，推导等效参数；2）采用COMSOL Multiphysics进行声-结构耦合数值模拟；3）通过3D打印制备梯度通道样品，在阻抗管中测量STL；4）对比分析局域（local）与非局域设计的能带结构差异。

【设计概念】
通过对比局域与非局域超材料的几何构型，阐明三角形角孔设计如何促进单元间能量传递。局域设计仅依赖独立共振通道，而非局域设计通过薄板间距调控产生横向耦合。

【高效宽带隔声】
实验数据表明，局域设计在f_L,1=700 Hz、f_L,2=1965 Hz、f_L,3=2450 Hz处呈现三个孤立STL峰，而非局域设计在相同频段形成连续高原状隔声曲线，验证相位抵消的全局化效应。

【双层耦合STL增强】
将局域设计的低频扩展优势与非局域的高效隔声特性结合，双层结构在800-1600 Hz频段STL提升42%，且整体曲线平滑度优于单一设计。

该研究突破性地将非局域物理概念引入声学超材料设计，通过梯度通道实现“1+1>2”的协同效应。其意义不仅在于具体性能提升，更开创了多通道超材料（multi-channel metamaterials）的定制化设计范式，为轻薄型声学屏障在交通、建筑等领域的应用奠定基础。作者Ziping Lei等特别指出，这种“分而治之”的设计哲学——即局域单元控制目标频段、非域耦合优化能量分布——可拓展至弹性波、光波超材料设计，具有跨学科启示价值。