如果您住在火車線路附近，您就會知道過往列車的轟鳴聲不僅令人煩惱，還會損害您的健康。其中，交通繁忙的鐵路沿線對附近居民來說尤其令人不安。傳統(tǒng)的高噪音屏障可以提供幫助，但它們在城市地區(qū)并不總是實用。通常高度小于1米的低高度聲屏障（LHNB）可能是一個不錯的選擇。這些屏障效果很好，因為它們可以放置在非常靠近噪聲源的位置，例如火車車輪與鐵軌相互作用的地方，如下圖所示。

然而，為了使這些屏障發(fā)揮最佳作用，它們的表面需要能夠很好地吸收聲音。在這里，聲學超材料可以發(fā)揮關鍵作用。這些人工結構具有天然材料所缺乏的獨特特性，使它們能夠以傳統(tǒng)材料難以吸收的方式吸收聲音。它們的功能取決于它們的幾何配置，而不僅僅是所使用的原材料，這使得它們能夠由耐候和防塵材料制成。

低高度聲屏障（LHNB）的有效性。顏色代表聲壓級：紅色表示最高噪聲級，藍色表示最低噪聲級。左側是輪軌交互產(chǎn)生的噪聲。中圖顯示了通用LHNB的有效性。右側是經(jīng)過優(yōu)化的吸音LHNB實現(xiàn)的降噪效果。紅色越少，LHNB就越有效。

此項研究是歐盟項目LIFE SILENT（寧靜生活）的一部分，研究了超材料與特定類型的低高度聲屏障的整合。它采用兩種類型的聲學諧振器，這些諧振器是在實際場景的約束下設計的：頸部嵌入式亥姆霍茲諧振器（NEHR）和法布里-佩羅（FP）通道。將這些諧振器組合在一起，使LHNB能夠減輕鐵路噪聲。

設計這些復雜的結構需要整個過程。通過復雜的模擬和受自然啟發(fā)的算法相結合，研究了超材料的最佳幾何形狀。具體來說，使用一種稱為“粒子群”的計算技術對幾何結構進行了優(yōu)化，該技術的靈感來自鳥群和魚群的社會行為。

由于需要定制和精度，超材料單元的原型是用塑料3D打印的。一旦測試了超材料的效率，也可以通過傳統(tǒng)的工業(yè)成型技術實現(xiàn)優(yōu)化幾何形狀的批量生產(chǎn)，從而在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)。

3D打印超材料NEHR（左）和FP（右）示例，它們是構成吸聲LHNB表面的單元。

此項工作展示了超材料工程如何應用于日常生活中。該研究解決了實際限制和約束、對戶外條件的耐用性需求以及制造復雜結構的挑戰(zhàn)。該研究概述了通過開發(fā)重點設計、創(chuàng)建物理原型和進行測試，從實驗室概念過渡到可能大規(guī)模生產(chǎn)的解決方案來應對噪聲污染的基本步驟。在認識到制造精度和實際條件影響等挑戰(zhàn)的同時，該項目強調(diào)聲學超材料可以設計為堅固且有效地用于公共基礎設施，為它們的實際應用鋪平道路，以改善日常生活。

內(nèi)容來源：比翱科技集團

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