你曾经试图做作业或看书,而附近有人修剪草坪或使用吹风机吗?噪音能使它很难集中注意力!现在想象一下生活接近一个繁忙的机场。欧洲环境总署估计,飞机噪音伤害12500年欧洲学生的学习1]。不需要的噪声会损害我们的健康,导致大约12000过早死亡每年在欧洲,由于与压力相关的心脏疾病的增加。

减少发动机的噪音和球迷的一个方法是包括降噪设计,但减噪设备体积大而且不切实际。在本文中,我们描述了如何利用数学来解决这个问题,设计了一种材料,我们可以使用较小的消音装置。首先,我们将看看声波和结合时发生了什么。接下来,我们将描述一个简单的消音设备是如何工作的,以及为什么核装置的大小很重要。然后我们将展示我们的新材料,设计使用数学,让我们减少大小的消音装置。

声波的特点

声音是由振动引起的。当一个物体振动,物体周围的空气振动。振动空气分子使其他周围的空气分子振动等等,一直到我们的耳朵。在我们的耳朵,小骨头振动,和我们的大脑理解这个声音。在声波振动运动一起,而不是空气粒子。

空气颗粒在声波正挤在一起,分开的线圈弹簧被拉伸和释放。虽然粒子沿着方向来回移动波旅行时,我们常常会让声波波浪线上下,更像海浪(图1一个)。行告诉我们的高度pressure-how挤在一起的粒子在任何时候。最高的点(山峰)显示粒子最压缩,和最低的点(槽),他们是最分离。

在我们的波图,从最高或最低的点到的距离叫做中心振幅。振幅是一种衡量响度。它告诉我们如何接近或间隔的粒子,而他们休息的位置。差异越大,声音越响。我们衡量响度单位称为分贝(dB)。

以及振幅、我们也测量波长和频率的声音。波长是一个点的距离在一波相同的点下;例如,距离一个波的峰的峰值。波的频率是通过一个固定的点。以赫兹(Hz),或者波每秒。记得紧身:如果你伸展和快速释放弹簧,您将创建一个高频波。每秒减少动作的数量降低了频率。频率告诉我们的球场的相配频率越高,高音调的声音。

如何添加声音一起导致更少的声音吗?

当波相遇时,它们以不同的方式互相影响。我们称之为干扰。干扰的类型取决于波浪线。图1 b显示了两个波,定位峰值精确。我们说海浪阶段。波的相位加在一起给波以更高的山峰和更大的振幅。对于声波,这给出了一个响亮的声音。我们称之为相长干涉。

现在看看图1 c。在这里,一个波的峰值与其他的低谷。我们称之为的阶段。结果是,两波相互抵消和你最终没有波!我们称之为相消干涉。声波的相消干涉的结果在一个更安静的声音。

降噪:四分之一波长谐振器

许多产品依赖相消干涉,以减少不必要的噪音。例如,消音耳机玩声波的相位的不需要的声音。当海浪相遇时,它们取消。其他设备依靠他们的几何来做这个工作。其中包括四分之一波长谐振器(QWR),它可以用来降低噪声由发动机和球迷(2,3]。

汽车的排气管需要烟雾远离引擎,并将它们释放到空气中。但是噪音也沿管道传播!QWR是一个额外的管分支主要排气。这陷阱和反映了声波。图2显示了它是如何工作的。声音的传播管道,其中一些进入侧枝,反映,又满足了与原来的声波。的反映和原始波相结合时,会发生相消干涉,使声音更安静。

侧枝的长度很重要:两波的相位时,它的长度必须是四分之一波长的声音我们想取消。这就是为什么我们称它为四分之一波长谐振器。

低频噪声的问题

目前为止一切都很顺利。但如果声波很长呢?侧枝必须四分之一只要声波,所以波长越大,我们QWR需要更大的。和声波可以非常大!低频率的声音的波长最长,高频最短。人能听到的频率低至20赫兹,这对应于一个17-m-long波!

发动机的噪声可以包括频率与波长超过3米(4]。QWR需要75厘米长,消除一个3米长声波的相消干涉。大型设备增加重量和成本,更不用说很难适应!

设计材料与数学

我们使用了数学模型来设计特殊的材料来帮助解决这个问题。我们的材料被称为超材料。超材料的性质取决于它们的形状和结构,而不是它们是由时间组成的。波超材料与普通材料(未见的方式5]。我们使用3 d打印机里面使QWRs与超材料结构(图3 b, C)。都是与薄长4厘米,椭圆形的形状堆放在里面。有一个非常狭窄的差距在每一个方面,而其他中心稍宽的缺口。我们也做了一个正常QWR没有超材料结构内部(图3一)。

我们的超材料降低声音正常速度的一半。为此,他们伸出的声波传播的空间。放缓声音有影响你不可能指望:它使得超材料谐振器取消声音比正常QWR以更低的频率。这是因为波长之间的数学关系,频率,和声音的速度:

对于一个QWR我们可以重新安排这个方程:

波长在哪里QWR长度的四倍。方程中如果我们减半音速,声音的频率将会减少一半。我们期望我们的超材料谐振器取消声音正常QWR相比频率的一半。

我们的研究结果

图3显示了三个QWRs发生了什么当我们测试。我们失去了多少响度测量的频率范围。我们预计超材料QWRs减少声音频率的一半正常谐振器相比,事实上,两个超材料QWRs这样做!的超材料图3 b差距拉大了,在它的中心,而不是两个窄的缝隙边缘,这小的差别比的超材料使它更有效图3 c;它减少了声音,5分贝。这是一个很大的不同之处,类似于你响度的下降会增加1.8倍距离的声音的来源(例如,如果你是100,这就像搬到180了)。

为什么减半频率较小的设备意味着什么?

我们知道一种声波的频率越低,波长越长。如果我们把空气中声音的频率,波长的两倍。QWRs通常与波长消除声音四倍的长度,但是我们的超材料QWRs消除声音波长8倍长度。而不是季度波长谐振器,我们可以调用它们第八波长谐振器!所以,超材料,我们可以减少一半的长度减噪设备需要为给定的频率。这可以节省空间和资源,使我们能够减少噪音公害低频率比可能的日常材料。我们的研究是一个一步一个安静的未来!

术语表

振幅:↑粒子的最大距离在一波又一波的休息位置。声波具有大振幅响亮而低振幅声波是安静。

波长:↑一波的长度,单位为米一个点在一个相同的点下一波浪潮。

频率:↑的数量在1 s波,通过一个固定的点,或每秒振荡的数量。以赫兹(Hz或年代⁻¹)。

相长干涉:↑当波加在一起,这样他们的波峰和波谷排队,结果是一个更高的振幅波。

相消干涉:↑当波加在一起的山峰一行与另一个波谷和波峰和波谷彼此抵消。

四分之一波长谐振器:↑消音设备,通过相消干涉。

超材料:↑特殊材料和特殊性能,通常由其几何结构。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

---

原始的文章

↑罗利,w . D。,Parnell, W. J., Abrahams, I. D., Voisey, S. R., Lamb, J., and Etaix, N. 2018. Deepening subwavelength acoustic resonance via metamaterials with universal broadband elliptical microstructure.:列托人。112:251902。doi: 10.1063/1.5022197

---

引用

[1]↑欧洲环境局。2020。在2020年欧洲环境噪声。经济区。报告没有:22/2019。doi: 10.2800/686249

[2]↑吴,C。,Chen, L., Ni, J., and Xu, J. 2016. Modeling and experimental verification of a new muffler based on the theory of quarter-wavelength tube and the Helmholtz muffler.SpringerPlus5:1366。doi: 10.1186 / s40064 - 016 - 3060 - 1

[3]↑场,c, D。,和Fricke, F. R. 1998. Theory and applications of quarter-wave resonators: a prelude to their use for attenuating noise entering buildings through ventilation openings.:声学。53:117-32。doi: 10.1016 / s0003 - 682 x (97) 00035 - 2

[4]↑Ih, j·G。,Choi, C. Y., Kim, T. K., Jhang, S. H., and Kim, H. J. 2011. Optimal design of the exhaust system layout to suppress the discharge noise from an idling engine.J Automot Int。抛光工艺。12:617-30 doi: 10.1007 / s12239 - 011 - 0072 - 2

[5]↑女友,s。,Christensen, J., and Alù, A. 2016. Controlling sound with acoustic metamaterials.Nat牧师板牙。1:16001。doi: 10.1038 / natrevmats.2016.1