低频声学全吸收一解决低频噪音的一种有效方法研究目的和背景世纪的科技日新月异，各种新兴技术不断改变着我们的生活模式，提供着前所未有的舒适与便利。然而时至今日我们却依然频繁经受着低频噪音的困扰。从办公室外的喧嚣车流，到邻居深夜的低音音响，从地铁在隧道中的低沉鸣响到飞机引擎在航行中的持续轰鸣，低频噪音以其超强的穿透能力和顽固难以吸收的特性始终都是一个难以削弱的恼人工程技术难题。究其原因，一方面，相比于动辄长达数米的低频声波波长，通常的建筑墙壁都显得非常轻薄，从而无法有效地将其阻挡和反射。另一方面，由于一般线性系统对振动的吸收能力正比于材料内部的相对运动速度的平方，因此对应介质在空间和时间上缓慢变化的低频声音就很难被有效地耗散和吸收。在最近的研究工作中我们发现了一种名为“声学全吸收点”的有效方法以解决低频噪音问题。之所以称之为“点”，是由于在我们的设计中，对声音的全吸收是在一个各尺度都远小于相应声波波长的结构中实现的。实验显示，对于空气中波长达的声波，一层厚度仅的结构就可以实现高达的吸收效率。需要指出的是，虽然这里实现的吸收峰值非常尖锐仅宽，但是考虑到低频噪音窄频的特征如机舱中噪音的频率主要取决于引擎相对恒定的转速，如此的效果对于低频噪音的防治已然是一个非常有效的解决方案。下面我们简单介绍这种“声学全吸收点”的发现背景和思路。在传统声学中，以吸收的方式削弱低频声音通常都需要能和声波波长比拟的厚吸收材料约为一。一个小巧紧凑的深亚波长吸收装置不光对于隔绝声音有重要意义，更可作为组件实现对声音能量的利用和转化，如通过声能发电此外，这样一个深亚波长的全吸收器也可能是克服声波衍射极限、实现超分辨率成像的一个巧妙方案。为了理解深亚波长完美吸收器的意义和重要性，我们需要回忆均匀介质中衍射极限的来源。由于衍射极限的存在，一个完美汇聚的球面波却不能聚焦于一点而只能至多产生一个尺度为波长的斑点。在这个斑点区域，入射的汇聚波会转变为出射波发散开来。一种理论上克服这一基本限定的方法是，利用放置在焦点的吸收器削弱出射发散波的贡献，从而减小聚焦斑点的尺度。如此的吸收器需要在深亚波长尺度吸收入射波的能量并避免产生任何形式的反射，从而表现的就像是一个点波源在时间反演下的对应。传统的声学吸收技术多是利用多孔纤维材料结合渐变材料性质，或借助毫米甚至微米级多孔筛配以共振后腔，实现对空气中声音的吸收。这类方法要么难以匹配空气阻抗，要么需要可比拟声波波长的巨大的尺度，都无法从真正意义上实现声学点波源在时间反演下的对应。新兴的“空间卷绕”技术提供了一种减小尺度的可能方案，但其目前仍然面临着匹配介质阻抗的挑战。另一方面，“主动吸收器”作为一个可行的候选则要求复杂的电路设计和对环境声场的预知，这在实用和可靠性上有着很大的局限。近年来，人们发现通过对两种介质交界面的结构改造，电磁波传播的操控可以直接在这样的“超表面”上实现，进而产生诸如相位突变、反常折射反射，或是自由偏振控制等功能。特别是利用在耗散介质中人为匹配两束反向传播光线的相位，人们实现了光学的“完美相干吸收”，。不过简单地移植这些概念于声学上，要么需要材料厚达若干声波波长，要么虽在亚波长尺度却要求材料有着如同金属对于电磁波那样的极大耗散。这些对于低频声音都是极不现实的另外，所有这些方法为了获得理想的吸收效果，都非常苛刻地要求材料具有某些特定的耗散性质或因子，这使得它们在可靠性和灵活性上大打折扣。本文随后的具体内容可以简单地归纳为如下思路：我们首先尝试在很薄的一层弱吸收材料上制造两种横向尺度都是深亚波长的共振模式见本文第2.节：镶嵌膜共振器，而后通过把这层材料置于与全反射面相隔仅薄薄一层气体的位置，将这两种共振模进行杂化见本文第2.2节：超表面的结构单元和完美吸收。基于原本两个共振态，新的杂化共振拥有两个可独立调节的自由度一一表面法向位移的平均强度和相应的法向位移的空间涨落分量见本文第2.节：杂化共振及其特征。在后文中我们会看到，鉴于这里的涨落分量并不会和空气中的传播模态直接...
