劉建豪副教授
多孔隙吸波材料與聲波週期結構經常應用於阻隔聲音與抗噪，例如應用於工廠吵雜環境與隔絕生活環境周遭的噪音，一般多孔隙吸波材料將纖維、粒子與立方晶體等內含物加入結構內，形成高損耗材料，如圖一(a)所示，當聲波在結構中傳遞，聲波能量會逐漸衰減，當多孔隙吸波材料的厚度較厚時，則聲波能量會在結構內衰減至零，如圖一(b)所示，多孔隙吸波材料在聲波的範圍內(200 Hz- 1200 Hz)，具備不同的聲波吸收能力[1]。聲波週期結構是藉由將每個單元週期排列，當工作頻率為於能帶隙時，聲波能量也會隨著傳遞距離逐漸衰減至零。但是多孔隙吸波材料與聲波週期結構不適用於低頻吸音材料，因為聲波的頻率相對低，所以對應的波長較長，造成多孔隙結構與聲波週期結構的體積龐大。
圖一、多孔隙吸音材料(a)三種不同內含物(b)聲音吸收頻譜[1]
近年來，具備高效率空氣流通之新穎材料吸引許多研究學者的目光，相對於傳統吸音材料，空氣流通有助於將結構中或內部的熱能交換或排出，適用於需要空氣與流體交換的環境。例如設計Helmholtz空腔陣列排成環形，使空氣或流體通過徑向方向，同時局部共振可以吸收通過之聲波能量，如圖二所示。
圖二、具空氣流通之新穎吸音材料，Helmholtz空腔陣列[2]
其缺點為空氣或流體通過的量相對少，因為開口截面積不夠大，加上彎曲的分流道可能會影響氣體或流體的流動，因此Fano共振結構為目前常用於設計高空氣流通效率之新穎材料，其優點為開口截面積大，可提供穩定的流體流動，並且其高Q值特性，在共振頻率時，可以有效吸收聲波能量。Fano共振器有許多的設計，基本結構組成為一個共振單元與ㄧ個非共振單元，Fano共振器的最大特點為保有非共振單元的中空流道，可供聲波、流體、空氣甚至光波通過，可應用於設計具透光度之吸音結構。
圖三為捲曲螺旋單元應用於Fano共振器之新穎材料，當發生共振時，振與非共振之輸出相位為反相，在遠場產生相消性干涉，遠場的聲壓幾乎為零，達到完美吸音效果。但是Fano共振器的最大缺點為頻寬很窄，只適用於窄頻聲音隔離。
圖三、Fano共振器之超穎吸音材料，捲曲螺旋單元與其對應之流場圖[3]
本實驗室提出一具備寬頻濾波和有效率通氣特性、基於雙模態費諾共振器和耦合機制進行設計的圓柱形聲學超穎材料，如圖四所示。每一單元由一個可提供穩定流體通過、位於中心的共振區域與環繞其周圍之六個螺旋通道的共振區域所組成，以在遠場區域產生聲波的破壞性干涉現象。有別於傳統單費諾共振類型的超穎材料，可調整前兩個費諾共振頻率，來形成相對寬頻之帶阻濾波響應特性，再藉由將兩個費諾共振器耦合，來得到更寬頻的隔音表現。
圖四、(a)寬頻Fano共振器之新穎吸音結構示意圖(b)3D列印結構
本研究於設計階段將以簡化過之一維傳輸線等效電路模型進行模擬輔助，同時搭配三維聲學有限元素模擬，接著以光固化3D列印技術製作設計結構，如圖四(b)所示，最終再使用阻抗管實驗驗證其特性。圖五(a)為模擬與實驗之穿透頻譜，可以看出從頻率700 Hz到1600 Hz有20 dB以上的聲波能量衰減，達到寬頻消音的效果。圖五(b)為所對應之聲壓場，可以看出在費諾共振頻率時(第二與第三聲場圖)，內流道與外流道產生破壞性干涉，達到消音特性，而中間流道提供穩定的空氣流動。對於其它頻率，聲壓場可通過外流道或內流道，到消音結構的另一側。
圖五、(a)模擬與實驗穿透頻譜(b)不同頻率之聲壓場模擬
誌謝
感謝畢業碩士蕭翕文的研究成果。
延伸閱讀
[1] J. P. Arenas and M. J. Crocker, “Recent Trends in Porous Sound-Absorbing Materials,” Sound and Vibration, vol. 44, no. 7, p. 12-17, 2010.
[2] C. Shen, Y. Xie, J. Li, S. A. Cummer, and Y. Jing, “Acoustic metacages for sound shielding with steady air flow,” J. Appl. Phys., vol. 123, no. 12, p. 124501, Mar. 2018.
[3] H. Zhang, Y. Zhu, B. Liang, J. Yang, J. Yang, and J. Cheng, “Omnidirectional ventilated acoustic barrier,” Appl. Phys. Lett., vol. 111, no. 20, p. 203502, Nov. 2017.
[6] X. Wu et al., “High-efficiency ventilated metamaterial absorber at low frequency,” Appl. Phys. Lett., vol. 112, no. 10, p. 103505, Mar. 2018, doi: 10.1063/1.5025114.
[7] J. W. Jung, J. E. Kim, and J. W. Lee, “Acoustic metamaterial panel for both fluid passage and broadband soundproofing in the audible frequency range,” Appl. Phys. Lett., vol. 112, no. 4, p. 041903, Jan. 2018, doi: 10.1063/1.5004605.
[8] M. Yang, C. Meng, C. Fu, Y. Li, Z. Yang, and P. Sheng, “Subwavelength total acoustic absorption with degenerate resonators,” Appl. Phys. Lett., vol. 107, no. 10, p. 104104, Sep. 2015, doi: 10.1063/1.4930944.
[9] G. Ma, M. Yang, Z. Yang, and P. Sheng, “Low-frequency narrow-band acoustic filter with large orifice,” Appl. Phys. Lett., vol. 103, no. 1, p. 011903, Jul. 2013, doi: 10.1063/1.4812974.
[10] H. Zhang, Y. Zhu, B. Liang, J. Yang, J. Yang, and J. Cheng, “Omnidirectional ventilated acoustic barrier,” Appl. Phys. Lett., vol. 111, no. 20, p. 203502, Nov. 2017, doi: 10.1063/1.4993891.
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