物理科学与工程学院李勇/王旭团队关于吸声结构因果律的研究成果发表于《物理评论快报》

近日，物理科学与工程学院声学研究所李勇/王旭教授团队在吸声结构的因果关系研究方面取得进展。研究团队提出基于等温过程的因果约束理论，成功研制出厚度超越绝热极限的低频宽带吸声器件。相关成果以“Causal-Constraint Broadband Sound Absorption under Isothermal Process”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

因果关系决定了声学系统结构特征与声波相互作用的内在联系。这种联系在线性时不变系统中表现为要实现特定的吸声频谱，材料必须满足由其因果性决定的最小厚度要求。现有吸声器件的因果分析通常基于声波绝热传播假设，但实际结构中流体-固体界面处的无滑移边界条件会引发速度与温度梯度，形成粘性和热边界层。在这一边界层内，声传播过程为等温过程。研究团队对热力学状态方程在吸声材料声传播中的物理机制进行分析，通过对材料等效体积模量及复平面积分的分析，建立了基于等温过程的因果关系框架，表明理论极限厚度可减小至传统绝热假设预测值的1/γ[图1]。

图1、流体—固体界面的声学边界层引起热力学状态变化

研究构建了理想化的声学超构材料，在250 Hz至2000 Hz的宽带范围内实现了平均0.94的吸声系数，结构厚度为150.2 mm，与等温理论预测的极限厚度149.3 mm高度吻合，显著低于绝热模型预测的209.1 mm[图2]。

图2、理想化的声学超构材料

研究进一步利用多孔材料高占空比的特性，构建了超构多孔材料进行实验，实现了从56 Hz起吸声系数即可维持0.9以上的低频宽带吸声效果。样品总厚度为500 mm，突破了绝热假设下的682.5 mm预测值，更接近本研究提出的等温因果框架预测的487.5 mm。机理分析表明，宏观孔洞的引入实现了对低频区冗余吸声的有效抑制，通过产生共振态优化了厚度利用效率，同时在关键频段增强了吸声性能[图3]。

图3、超构多孔材料的低频宽带吸声性能

同济大学为论文唯一完成单位，硕士研究生葛传昊和博士研究生王能银为论文共同第一作者，王旭教授和李勇教授为论文共同通讯作者。该研究得到中央高校基本科研业务费、上海三年行动计划、上海市基础研究特区计划及小米公益基金会的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/jwvm-ntts