聲波是一種機(jī)械波，它是由空氣或其他介質(zhì)中的分子振動產(chǎn)生的。聲音的頻率決定了它的音調(diào)，而聲音的振幅決定了它的響度。我們?nèi)祟惪梢月牭降穆曇纛l率大約在20赫茲到20千赫茲之間，超出這個范圍的聲音稱為超聲波和次聲波。

有時候，我們不想聽到某些聲音，比如噪音或干擾，因?yàn)樗鼈儠绊懳覀兊纳钯|(zhì)量或工作效率。這時候，我們就需要一種方法來隔絕或吸收這些不想聽到的聲音。這種方法就是聲學(xué)隔音。

聲學(xué)隔音有兩種基本原理：一種是反射，就是利用一些硬質(zhì)或密度大的材料來反射入射的聲波，使其不能進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域；另一種是吸收，就是利用一些軟質(zhì)或密度小的材料來吸收入射的聲波，使其轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量，從而減小其強(qiáng)度。

反射原理比較簡單，但是有一個缺點(diǎn)，就是反射出去的聲波可能會造成其他地方的噪音污染。而吸收原理比較復(fù)雜，但是有一個優(yōu)點(diǎn)，就是可以有效地消除噪音。因此，在本文中，我們主要關(guān)注吸收原理。

要實(shí)現(xiàn)吸收原理，我們需要一種特殊的材料，叫做聲學(xué)超材料。這種材料不是自然存在的，而是人工設(shè)計(jì)和制造的。它具有一些非常奇特和有趣的性質(zhì)，這些性質(zhì)使得聲學(xué)超材料可以實(shí)現(xiàn)一些常規(guī)材料無法實(shí)現(xiàn)的功能，比如完美吸收器。

在本文中，我們要介紹的是一種基于亥姆霍茲共振器的聲學(xué)超材料表面。亥姆霍茲共振器是一種簡單而古老的裝置，它由一個空腔和一個開口組成。當(dāng)空氣通過開口進(jìn)入或出去時，空腔內(nèi)部會產(chǎn)生一個壓力變化，從而導(dǎo)致空氣振動。如果入射的聲波頻率與空腔內(nèi)部振動頻率相匹配，那么就會發(fā)生共振現(xiàn)象，即空腔內(nèi)部振動幅度增大，并且消耗入射聲波的能量。這樣就實(shí)現(xiàn)了對特定頻率聲波的吸收。

Helmholtz共振器可以用來制造各種形狀和大小的聲學(xué)超材料表面。發(fā)表在《應(yīng)用物理學(xué)雜志》（Journal of Applied Physics）的一篇論文中，作者使用了一個非常便宜且容易獲取的材料——乒乓球，來制作了一個亥姆霍茲共振器。他們在每個乒乓球上鉆了一個小孔，并將它們排列成一個二維數(shù)組。每個乒乓球都可以看作一個亥姆霍茲共振器，其空腔就是球內(nèi)部，其開口就是小孔。這樣，整個數(shù)組就構(gòu)成了一個聲學(xué)超材料表面。

作者使用了有限元方法來數(shù)值模擬這個聲學(xué)超材料表面的聲學(xué)性能，并且在一個聲學(xué)混響箱中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們發(fā)現(xiàn)，這個聲學(xué)超材料表面可以實(shí)現(xiàn)對低頻聲波的寬帶隔音效果。具體來說，他們發(fā)現(xiàn)了以下幾個有趣的現(xiàn)象：

• 當(dāng)兩個相鄰的乒乓球之間有一定的距離時，它們之間會產(chǎn)生耦合作用，從而導(dǎo)致兩個共振頻率的出現(xiàn)。這樣就增加了吸收頻帶的數(shù)量和寬度。

• 當(dāng)在乒乓球數(shù)組后面加上一個厚度為1厘米的亞克力板時，可以進(jìn)一步增強(qiáng)吸收效果。這是因?yàn)閬喛肆Π蹇梢宰柚狗瓷洳ǖ母蓴_，并且可以提供一個剛性支撐。

• 當(dāng)改變乒乓球上小孔的直徑時，可以調(diào)節(jié)共振頻率的位置和強(qiáng)度。這樣就可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出不同的隔音方案。

總之，作者展示了一種用乒乓球做聲學(xué)隔音的創(chuàng)新方法，它既簡單又有效，既便宜又靈活。這種方法為低頻聲波的控制和操縱提供了一種新的途徑，也為聲學(xué)超材料表面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了一種新的思路。