Blockfold折纸超薄超材料利用折叠诱导的声质量效应实现低频和宽带吸声效果，有助于构建资源高效型建筑

《Building and Environment》：Blockfold origami ultrathin metamaterials with fold-induced acoustic-mass effect toward low frequency and broadband sound absorption for resource-efficient buildings

针对日常室内环境中低频噪声渗透性强、传统吸声材料厚的问题，提出一种基于块折叠折纸结构的夹层声学超材料（BOSAM），通过多腔体串联并联配置和折叠诱导的声学质量效应，实现19mm厚度下440-1958Hz宽频带高效吸声（平均吸声系数>0.85）。

　　

宁高|刘洪林|刘晓莉|吴久辉

西安交通大学机械工程学院，中国西安，710049

摘要

日常室内环境中的低频和中频噪声具有很强的穿透力，对健康和环境福祉造成严重影响。然而，传统的吸音材料通常较厚且占用空间较大。微孔腔共振吸音结构在低频范围内的性能表现出色。基于此，本文提出了一种基于块折叠折纸（Blockfold-origami）的夹层声学超材料（BOSAM），其中块折叠核心被嵌入到一个顶部为微孔面板、底部为薄面板的盒子中，从而形成一个具有串联并联配置的多腔声学单元。折叠核心的可变横截面和延长的通道能够实现低频宽带吸音。此外，提出了一种“折叠诱导的声质量效应”新概念，即折叠形成的狭窄部分增强了声流体积速度，从而产生额外的腔内声质量，进而调节单元的声阻抗，并显著将吸音峰值向更低频率移动。另外，通过将声传输通道类比为变截面管道，采用改进的传递矩阵方法来量化与折叠几何形状相关的吸音特性，该方法通过仿真和实验得到了验证。最后，通过参数优化和多单元集成，该结构的数值仿真显示在440–1958 Hz频率范围内具有持续的高吸音性能（平均α > 0.85），且厚度仅为19毫米（λ/44）。这项研究为空间高效的声学处理提供了一种集成解决方案，结合了低频宽带吸音、超薄结构和低加工要求，远超传统的共振吸音结构。

引言

在当代建筑设计中，如何在有限的空间内有效实现良好的声学舒适度已成为建筑师和工程师面临的关键挑战。特别是日常生活中的低频噪声污染，它不仅具有很强的穿透力，还可能与人体器官产生共振。长期暴露于此类噪声可能对身体造成不可逆的伤害。良好的声学环境不仅对用户的福祉至关重要，还深刻影响他们对建筑空间的整体满意度，使其成为可持续设计不可或缺的方面[[1], [2], [3]]。传统的多孔声学材料或纤维吸音材料对高频声波具有良好的隔音效果，但对低频声波的吸音效果较差。低频声波的波长较长，通常超过2米，使其具有很强的穿透能力。然而，传统的隔音材料需要达到波长1/4的厚度才能实现有效的吸音[[4], [5], [6], [7], [8]]。这在处理低频声波时存在局限性，并增加了空间占用。因此，迫切需要更薄、对低频吸音更有效的吸音超材料。

通过引入局部共振吸音材料（如微孔面板结构和亥姆霍兹共振器[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]），可以进一步提高吸音效果，从而增强室内的中低频吸音性能。另一方面，轻质夹层结构已在航空航天、交通和建筑等领域得到广泛应用，其内部腔体有助于集成共振吸音机制。具有局部共振的吸音超材料在微孔面板后面设计有腔体[[17], [18], [19], [20]]。微孔内的空气柱类似于质量块，而后腔内的空气压缩和膨胀则起到弹簧的作用。在外部声压激励下，这种“弹簧-质量”系统以其自然频率振动，与相应频率的声波共振并吸收声波。小孔越窄，类似的质量块的惯性越大，这有利于低频吸音。这是因为狭窄的通道加速了声波和空气的流动，导致振动加剧，进一步增加了声波的热粘性损耗。先前的研究[[21], [22], [23]]还指出，流场中的速度梯度变化与结构声场相互作用，从而影响吸音效果。局部共振吸音超材料的结构尺寸可以进一步减小到深亚波长尺度，提供出色的低频吸音特性，并能够用紧凑的结构控制大波长声波[[24], [25], [26], [27], [28], [29]]。

在[[30], [31], [32], [33]]中研究了蜂窝背衬的穿孔面板，分析了它们的吸音特性和传输损耗。然而，具有单一腔体体积的穿孔夹层结构通常具有较窄的工作带宽，通常无法满足实际噪声控制的要求。为了解决这个问题，可以通过并联或串联不同大小的腔体[[34], [35], [36]]，或增加穿孔率[[37,38]]来改善工作带宽。尽管现有的各种微孔夹层超材料在不同程度上对低频和宽带吸音做出了显著贡献，但用于低频吸音的超薄深亚波长结构仍需进一步探索。此外，对于宽带吸音而言，确保在整个目标频率范围内实现高效吸音至关重要。

相应地，加工精度较低的结构往往无法实现理想的吸音性能，最终是由于吸音效率不足。尽管一些研究[[34,39]]采用了退火算法或深度学习方法来精细优化结构参数，但这导致了过高的加工精度，不利于实际应用。因此，设计具有深亚波长厚度、表现出低频、宽带和高效率吸音的微孔夹层结构仍然具有挑战性。这一挑战可以通过利用折纸结构提供的高比表面积、可变横截面特性和受限空间内的长声学路径来大大解决。

王等人[[40]]制造了一种基于Miura-ori镶嵌结构的夹层吸音超材料，在中频范围内实现了宽带吸音。Mallesh等人[[41]]引入了一种新型折叠核心吸音夹层结构，以解决低频吸音效果不佳的问题。Shi等人[[42]]提出了一种受折纸启发的蜂窝声学超材料，既具有低频吸音特性，又具有冲击能量吸收特性。Zhu等人[[43]]开发了一种弯曲折叠的夹层结构，结合了声学和机械性能，实现了厚度小于25毫米的低频吸音。尽管基于微孔折纸的夹层材料是一个相对新兴的领域，但它们在低频和宽带吸音方面展示了显著的优势。然而，这些材料仍面临挑战，需要在两个关键领域取得突破：探索高效的低频宽带吸音机制和设计深亚波长结构。

本文提出了一种基于块折叠折纸（Blockfold origami）的新型夹层声学超材料（BOSAM），该材料基于Miura折纸结构的一种变体。通过将块折叠核心嵌入到一个顶部为微孔面板、底部为薄面板的盒子中，形成了结合串联和并联连接的多腔声学单元。利用块折叠核心内部通道的可变横截面特性和受限空间内的延长声学路径，实现了超薄结构中的低频宽带吸音。首先，提出了一种“折叠诱导的声质量效应”新概念，即折叠形成的狭窄部分增强了声流体积速度，从而产生额外的腔内声质量，进而调节单元的声阻抗，并显著将吸音峰值向更低频率移动。其次，采用改进的传递矩阵方法，并将声传输路径类比为变截面管道，来量化与折叠几何参数相关的吸音特性，这一理论计算方法通过仿真和实验得到了验证。最后，分析了关键参数和折叠核心嵌入模式的影响。四个优化的单元并联连接，形成了连续且高效的吸音结构，具有低频和宽带性能。该材料结合了轻量化、超薄和承重潜力，为建筑和节能材料的新型低频吸音材料的发展提供了可行的途径。

节选内容

基于块折叠折纸的夹层声学超材料（BOSAM）

Miura折纸已被应用于研究夹层结构中的吸音和机械压缩特性。研究表明，其承重性能可与蜂窝夹层结构相媲美。其衍生结构——块折叠折纸结构也表现出与Miura折纸类似的优秀压缩效果[[43], [44], [45], [46], [47]]。在吸音方面，块折叠折纸结构具有可变横截面

实验验证

为了验证所提出的模型和假设，实验结果将与理论模型和有限元仿真结果进行比较。图6展示了阻抗管实验装置。图6(a)显示了声学测试系统的示意图，主要包括扬声器、信号发生器、信号处理器、麦克风和阻抗管。BOSAM样品安装在阻抗管中（内截面为100毫米×100毫米

结论

提出了一种用于中低频吸音的节省建筑空间的超薄块折叠折纸夹层声学超材料（BOSAM）。通过将块折叠核心嵌入到一个顶部为微孔面板、底部为薄面板的盒子结构中，形成了声学单元。该单元由多个串联和并联连接的折叠腔体组成。块折叠核心内部通道的可变横截面特性和延长的声学路径

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

宁高：撰写——原始草案、可视化、验证、方法论、概念化。刘洪林：方法论、调查、形式分析。刘晓莉：可视化、方法论、数据管理。吴久辉：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。