如果您住在火車線路附近，您就會(huì)知道過往列車的轟鳴聲不僅令人煩惱，還會(huì)損害您的健康。其中，交通繁忙的鐵路沿線對(duì)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?cè)诔鞘械貐^(qū)并不總是實(shí)用。通常高度小于1米的低高度聲屏障（LHNB）可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這些屏障效果很好，因?yàn)樗鼈兛梢苑胖迷诜浅？拷肼曉吹奈恢?，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(xué)超材料可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。這些人工結(jié)構(gòu)具有天然材料所缺乏的獨(dú)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(jí)：紅色表示最高噪聲級(jí)，藍(lán)色表示最低噪聲級(jí)。左側(cè)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(cè)是經(jīng)過優(yōu)化的吸音LHNB實(shí)現(xiàn)的降噪效果。紅色越少，LHNB就越有效。

此項(xiàng)研究是歐盟項(xiàng)目LIFE SILENT（寧?kù)o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(xué)諧振器，這些諧振器是在實(shí)際場(chǎng)景的約束下設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需要整個(gè)過程。通過復(fù)雜的模擬和受自然啟發(fā)的算法相結(jié)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(jì)算技術(shù)對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，該技術(shù)的靈感來自鳥群和魚群的社會(huì)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(cè)試了超材料的效率，也可以通過傳統(tǒng)的工業(yè)成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化幾何形狀的批量生產(chǎn)，從而在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)。

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

此項(xiàng)工作展示了超材料工程如何應(yīng)用于日常生活中。該研究解決了實(shí)際限制和約束、對(duì)戶外條件的耐用性需求以及制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。該研究概述了通過開發(fā)重點(diǎn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)建物理原型和進(jìn)行測(cè)試，從實(shí)驗(yàn)室概念過渡到可能大規(guī)模生產(chǎn)的解決方案來應(yīng)對(duì)噪聲污染的基本步驟。在認(rèn)識(shí)到制造精度和實(shí)際條件影響等挑戰(zhàn)的同時(shí)，該項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)聲學(xué)超材料可以設(shè)計(jì)為堅(jiān)固且有效地用于公共基礎(chǔ)設(shè)施，為它們的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路，以改善日常生活。

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