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蜘蛛网“迷宫”有助于降低噪音污染
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近日，研究人员已经证明：自然蜘蛛网的几何结构可以用来解决噪音控制中最大的挑战之一——减少低频噪音，低频噪音目前是欧洲在空气污染之后的第二大环境问题。
这些研究人员分别是来自都灵大学的Anastasiia Krushynska和Federico Bosia、来自勒拉弗尔大学的Marco Miniaci、来自伦敦大学玛丽女王学院的Nicola Pugno，他们在最新一期的《新物理学期刊》上提出了减少低频噪音的新方法。
“我们的研究为低频噪声音的衰减提供了一种新的途径。”Pugno对phys.org的记者说道：“我们的策略是基于声学超材料的设计，这种结构结合了蜘蛛网几何结构上的优点以及曲折管道在空间层面上的卷曲手段。而且，这种结构还提供了一种简单可靠的方法来为声波处理引入了可调协性，这是非常可取的实际应用。”
由于低频声波的特点是波长比较长，因此屏蔽这些声波时通常需要非常厚重的结构，而这对于大多数应用环境来说是昂贵和不切实际的。另一种方法则是使用最近开发的声学超材料，传统的声障依赖于材料的组成和厚度来处理声音，而超材料是通过其复杂的亚波长尺度结构来处理声音的。因此，非常薄的超材料仍然可以有效地减少和处理低频声波。
在这项新研究中，研究人员基于一个几年前才首次被提出的新概念——“迷宫超材料”或“空间线圈”——完成了他们的设计。“迷宫超材料”由彼此可以相对旋转的曲折管道构成，所以这使得它们外观看起来像迷宫一般。
这样一种错综复杂的结构最终被修改成一种蜘蛛网一般的结构。这项研究的作者们指出，这种几何形状对于衰减弹性波特别有效。现在他们的新研究中，研究人员修改了先前提出的迷宫般的超材料结构设计。他们在“迷宫”中加了一些方形框架，因此，产生的结构类似于传统的蜘蛛网。他们表明，这种简单的修改创建了空气腔体，这就使得网络中的每个通道的宽度可以变化。通过控制通道的宽度，研究人员可以调节超材料的声学特性，比如它分散和反射声波的方式。
研究人员预计，蜘蛛网结构的超材料使得它可以广泛应用于低频声音处理的各种应用中。“虽然类似的几何形状已经显示出衰减低频振动的特性，但目前所开发的超材料并不能直接应用于屏蔽地震，因为它们只能处理由空气传播的声波。” Pugno解释道：“它们的应用包括对传统方法仍然具有挑战性的低频噪音隔离，以及音乐厅可能需要的变换声学和声音聚焦。”
