在现代社会中，噪声带来了诸多挑战，既影响人类健康，也会影响工程系统的性能[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。传统的降噪策略依赖于吸音材料，如纤维和多孔材料[[8], [9], [10]]。不过，这些材料要实现有效衰减，其厚度至少需为入射波长的四分之一[8]，因此在低频环境下效率较低。此外，它们还会阻碍空气流动，不适合用于需要通风的场景。
声学超材料作为一种操控和控制声波的新兴替代方案，展现出巨大潜力。这类人工亚波长结构能够定制有效介质的声学特性，包括单负性、双负性以及接近零的特性[[11], [12], [13]]。利用这些特性，声学超材料可应用于隐身、成像、波束操控等多种领域[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。同时，它们也有望实现有效的噪声降低[22]。根据其作用机制不同，这类声学超材料可实现多种功能，比如在亚波长厚度下实现低频吸收、宽频带衰减，以及具备通风兼容性。例如，基于腔颈共振原理，亥姆霍兹谐振器已被用作低频声波衰减的亚波长谐振器[23]。多个亥姆霍兹谐振器组合使用可实现宽频带衰减，弥补单个谐振器带宽较窄的缺陷[[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]]。另外，通过利用两列波的干涉效应，类似法诺效应的干涉机制也被用于具有通风开口区域的宽频带衰减研究[[37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47]]。不过，所有这些被动式方法通常都需要较大的结构尺寸才能实现宽频带衰减，且难以精准针对不同噪声源的峰值频率。尤其是传统的基于法诺效应的超材料，其衰减曲线不均匀，在宽频段内的传输损耗相对较低[41]。而且，一旦设计制造完成，其工作频率范围就无法再进行调整。
在现实工程的应用中，噪声频率会随着涡轮机、电机和机床等设备的运行状态而变化，这种可调性受限的问题十分突出[[48], [49], [50]]。主动降噪技术虽然具备这种适应性，但需要大量的计算资源及外部能源支持。更重要的是，主动降噪的有效工作范围本质上仅限于1 kHz以下的低频区域[51,52]。这些局限性凸显出对被动式方法的需求，这也推动了各类可调声学超材料的发展[53,54]。亥姆霍兹谐振器可以通过调整腔体体积或腔颈几何结构来改变衰减频带[55], [56], [57]。腔体体积可通过调节谐振器内的水位或内部隔板的旋转角度来改变。而膜型声学超材料则通过改变其有效刚度或张力来实现可调性[58,59]。多个谐振器结合使用也可整合各自的衰减频带，从而获得更宽的传输损耗衰减范围。尽管这些可调声学超材料能够改变衰减频带，但若能进一步提升设计灵活性，实现更宽的调谐范围，其性能还将得到进一步改善。
折纸艺术是一种将纸张折叠成三维物体的技术，它能够实现具有多自由度的灵活几何结构重构[60]。这种方法具有很高的设计灵活性和结构多样性，且能形成轻质紧凑的结构。折纸结构还具备非线性、多稳态以及可调刚度等独特机械特性，这些特性在振动控制和能量吸收方面尤为重要[[61], [62], [63]]。正是凭借这些优势，折纸技术已在航空航天、机器人技术、生物医学工程以及超材料等多个工程领域得到广泛应用[[64], [65], [66]]。在声学领域，折纸技术也被用于操控声波，尤其是降噪方面。目前大多数基于折纸的声学超材料都是通过各种折纸图案来调整亥姆霍兹谐振器的腔体体积，常见的折纸图案包括手风琴式、水炸弹式以及克雷斯林折纸式[67,68], [69,70], [71,72]。这些设计往往还会与微孔面板结合使用，以实现宽频带低频声波的吸收[[73], [74], [75]]。最近，刘等人展示了一种具有实时可调带隙的折纸超材料，通过局部共振和布拉格反射的协同作用，提升了其宽频带衰减能力[76]。虽然这些基于折纸的设计具备良好的可调性，但它们仍然依赖于亥姆霍兹型共振机制，因此也存在着相同的固有限制。这类谐振器仅在靠近其共振频率的狭窄频带内才能衰减声波。要降低共振频率，就需要相应增加腔体体积，因此要适应不同的工作条件，就需要较大的驱动器动作幅度。此外，封闭式腔体结构本身会阻碍空气流动，这就限制了其在需要保持通风的环境中的应用。
综上所述，此前研究中的声学超材料都存在固有的矛盾，无法在单一设计中同时实现强衰减、宽频带工作、通风功能以及结构可重构性。要克服这些相互制约的因素，就需要一种能够将宽频带干涉效应与可重构几何结构相结合的设计方案。在此背景下，尽管类似法诺效应的干涉机制具有实现宽频带衰减和保证通风的潜力，但将其与基于折纸的可重构结构相结合的研究尚未开展。此外，类似法诺效应的干涉机制在弯曲变形条件下的稳定性也几乎未被研究过。
在本研究中，我们提出了一种基于折纸的可调声学超材料（OTAM），该材料利用类似法诺效应的干涉机制来实现具有通风功能的宽频带声波衰减。该结构由四个同心的吉村折纸核心组成，这些核心与前后的迷宫状面板相连。吉村折纸结构具有可逆的折叠特性，因此可以连续调整其轴向长度，从而在较宽的频率范围内改变衰减频带，同时保持良好的通风效果。即使在轴向弯曲变形的情况下，这种干涉机制依然有效。这些研究结果表明，所提出的OTAM为实际工程应用中的频率可调宽频带噪声控制提供了一种极具前景的解决方案。
本文的其余部分结构如下：引言之后，第2节将介绍OTAM的设计策略和工作机制。首先介绍吉村折纸迷宫的结构配置和折叠特性，随后阐述类似法诺效应的干涉机制以及该迷宫通道所具有的有效声学特性。第3节将对OTAM的可调衰减性能进行评估，首先通过理论分析和数值模拟进行研究，然后再通过实验验证，并评估其在变形条件下的稳定性。第4节则会对所有关键研究结果进行总结。
