王能银，周成程，邱昇，黄思博，贾彬，刘珊珊，曹君妹，丁华，周志凌，祝捷，李勇

  音色作为声响的基本要素之一，对构成声响性质起着及其重要的作用。音色与宽带特性具有天然的相关。因为传统声学共振结构固有的色散特性，其宽带声波调控才能受到约束，因而使用被迫声学体系完成音色调制一直是个极具挑战性的难题。近年来声学超资料的展开极大地丰厚了使用亚波长尺度结构完成高功率声波调控的办法。其间，宽带超资料吸声体的相关研讨成果为宽带音色调制供给了许多新颖的思路。此外，得益于增材制作技能的展开，根据超资料构建高功用的声学器材具有了更高的可行性。但是，相对于宽频吸声，音色调制对多个方式在宽频范围内耦合效应的精密调控提出了更高的要求，因而音色调制的完成仍是一个没有处理的难题。

  近期，同济大学声学所李勇教授课题组和祝捷教授课题组在制作范畴的顶尖期刊《极点制作》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上宣布题为《Meta-silencer with designable timbre》的研讨文章。研讨团队经过深化探求多共振方式的耦合效应，提醒了强大局耦合效应对共振色散的按捺作用。根据此研讨成果，研讨团队提出了一种超构消声器完成了音色的高效调制。该超构消声器由金属泡沫、穿孔板和多个内嵌管式亥姆霍兹共振单元（NEHR）组成，这种结构供给了在宽频范围内的高方式密度和高可调性体系本征损耗，因而能支撑高可调性的强大局耦合呼应，这就为完成可规划的音色铺平了路途。经过合理规划的超构消声器（厚度为5cm左右）可在500-3200Hz频率范围内完成声衰减功率可控的可规划的音色，体现出了优异的共振色散按捺才能和频率选择性声波操作才能。

  研讨团队提出的超构消声器如图1（a）所示，进行试验验证的声波导管设备如图1（b）所示。研讨团队首要根据模耦合理论和方式匹配办法建立了剖析超构消声器大局耦合效应和声透射丢失的理论模型。经过该理论模型剖析透射丢失（TL）与方式密度及频率之间的联系（图2（a）），发现了方式密度的添加能够强化共振单元之间的大局耦合效应，然后有用按捺由共振色散特性引起的TL曲线（b））。根据以上成果，该作业提出了使用精密调控的强非局域效应来完成可规划音色的理念。研讨团队详细规划了三个具有不一样规划方针的超构消声器来验证以上理论模型和所提出的理念。榜首个规划方针是在500-3200 Hz内具有尽量高的声衰减功率。所规划的超构消声器完成了在方针宽频范围内均匀28.4 dB的透射丢失，一起其厚度仅为5.35 cm，约为500 Hz声波波长的1/13（图3）。第二个超构消声器的规划方针是在500-3200 Hz的TL维持在12 dB邻近。所规划的超构消声器（厚度4.34 cm）中的金属泡沫有用地提升了方式密度，然后较好地完成了规划方针。第二个规划方针相较前者具有更严厉的约束，规划结构所完成的优异作用验证了高方式密度所支撑的强非局域效应对共振色散具有高效的按捺作用（图4）。终究的规划方针是在500-3200 Hz完成可规划音色，也便是不同倍频范围内完成功率高度可控的声衰减。所规划的超构消声器不只支撑了高方式密度，还进一步在不同倍频内具有特定的密度散布，终究完成了减轻基频音（500-930Hz）、杰出榜首泛音（930-1720Hz）和沉默第二泛音（1720-3200Hz）的可规划音色的作用（图5）。

  该作业为调制大局耦合以按捺共振色散供给了新的见地, 并提出了经过声学超构消声器调控方式密度散布、大局耦合效应和体系本征损耗的有用办法。所提出的规划理念也可用于构建反射型声学超构结构，在室内声学中有广泛的使用潜力。该作业为可规划音色的研讨拓荒了一条新途径，也有望对航空发动机和通风体系中的消声器规划供给新的处理方案和技能思路。

  图1（a）由并联耦合的多个内嵌管式亥姆霍兹共振器（NEHRs）、金属泡沫及分隔其单元的外壳和穿孔板组成的超构消声器的示意图。（b）声波导管试验设备。

  图2（a）宽频范围内不同方式密度的透射丢失（TL）。橙色、深青色和绿色虚线别离代表稀少方式密度、中等方式密度和高方式密度的典型状况，其对应TL曲线如图（b）中相应色彩曲线所示。

  图3具有高效声衰减功用的超构消声器。（a）超构消声器在500-3200 Hz内理论（线）和试验（圈）的TL。（b）超构消声器在声波掠入射下的理论（线）和试验（圈）的透射系数（亮绿色）、吸收系数（赤色）和反射系数（蓝色）。插图为试验样品相片。（c）超构消声器的理论（线）和试验（圈）的声阻（橙色）和声抗（蓝色）。（d）超构消声器声压幅值p的理论成果。

  图4具有声衰减功率可控的超构消声器。（a）绿线和圈别离表明超构消声器的理论和试验的TL。灰线表明没金属泡沫的消声器的TL曲线。插图为试验样品相片。（b）超构消声器的理论（线）和试验（圈）的声阻（橙色）和声抗（蓝色）。深灰色和浅灰色实线别离表明去掉金属泡沫的超构消声器的理论的声阻和声抗。

  图5可规划音色的超构消声器。（a）超构消声器理论（线）和试验（圈）的TL。超构消声器在500-930Hz、930-1720Hz和1720-3200Hz的TL方针别离为18dB、3dB和35dB，其相应的透射系数别离为0.016、0.5和0.003（（b）中黑色虚线）。插图为试验样品相片。（b）超构消声器在声波掠入射下的理论（实线）和试验（圈）的透射系数。五颜六色虚线表明NEHRs的透射曲线。点划线（灰色）表明独自的具有金属泡沫背腔的穿孔板的透射曲线。（c）超构消声器的理论（线）和试验（圈）的声阻（橙色）和声抗（蓝色）。（d）超构消声器声压幅值p的理论成果。

  该研讨获得了国家自然科学基金、上海市科学技能委员会、我国香港特别行政区大学教育赞助委员会/研讨赞助局赞助

  2022年3月年结业于同济大学，获理学博士学位（物理学）。2022年7月结业于香港理工大学，获哲学博士学位（机械工程）。现于香港城市大学展开博士后研讨（2022.08-）。现在研讨方向包含声学超资料、声学超构外表和噪声控制。

  2008年结业于宾夕法尼亚州立大学，获资料工程学博士学位。现任同济大学物理科学与工程学院教授。现在研讨方向包含结构声学资料、声学超资料以及声成像技能与体系。

  2013年结业于南京大学，获理学博士学位（声学）。现任同济大学物理科学与工程学院教授。现在研讨方向包含声学功用资料、非厄米声学和航空声学。

  《极点制作》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）是极点制作范畴的首本世界期刊，致力于宣布极点制作相关范畴的高质量最新研讨成果，文章方式主要为原创性和总述性文章。现在该刊共设四大栏目：资料与能场相互作用、工艺办法、极点功用资料/结构/器材、丈量与体系。IJEM现已被SCI、EI、Scopus、CNKI等数据库录入。影响因子10.036(Q1)。中科院分区工程技能1区，TOP期刊。一起当选“我国最具世界影响力学术期刊”（TOP 5%）。钻石敞开获取，免收作者版面费，双匿评定。