乒乓球亥姆霍兹共振器：一种简单有效的隔音法

声波是一种机械波，它是由空气或其他介质中的分子振动产生的。声音的频率决定了它的音调，而声音的振幅决定了它的响度。我们人类可以听到的声音频率大约在20赫兹到20千赫兹之间，超出这个范围的声音称为超声波和次声波。

有时候，我们不想听到某些声音，比如噪音或干扰，因为它们会影响我们的生活质量或工作效率。这时候，我们就需要一种方法来隔绝或吸收这些不想听到的声音。这种方法就是声学隔音。

声学隔音有两种基本原理：一种是反射，就是利用一些硬质或密度大的材料来反射入射的声波，使其不能进入目标区域；另一种是吸收，就是利用一些软质或密度小的材料来吸收入射的声波，使其转化为热能或其他形式的能量，从而减小其强度。

反射原理比较简单，但是有一个缺点，就是反射出去的声波可能会造成其他地方的噪音污染。而吸收原理比较复杂，但是有一个优点，就是可以有效地消除噪音。因此，在本文中，我们主要关注吸收原理。

要实现吸收原理，我们需要一种特殊的材料，叫做声学超材料。这种材料不是自然存在的，而是人工设计和制造的。它具有一些非常奇特和有趣的性质，这些性质使得声学超材料可以实现一些常规材料无法实现的功能，比如完美吸收器。

在本文中，我们要介绍的是一种基于亥姆霍兹共振器的声学超材料表面。亥姆霍兹共振器是一种简单而古老的装置，它由一个空腔和一个开口组成。当空气通过开口进入或出去时，空腔内部会产生一个压力变化，从而导致空气振动。如果入射的声波频率与空腔内部振动频率相匹配，那么就会发生共振现象，即空腔内部振动幅度增大，并且消耗入射声波的能量。这样就实现了对特定频率声波的吸收。

Helmholtz共振器可以用来制造各种形状和大小的声学超材料表面。发表在《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）的一篇论文中，作者使用了一个非常便宜且容易获取的材料——乒乓球，来制作了一个亥姆霍兹共振器。他们在每个乒乓球上钻了一个小孔，并将它们排列成一个二维数组。每个乒乓球都可以看作一个亥姆霍兹共振器，其空腔就是球内部，其开口就是小孔。这样，整个数组就构成了一个声学超材料表面。

作者使用了有限元方法来数值模拟这个声学超材料表面的声学性能，并且在一个声学混响箱中进行了实验验证。他们发现，这个声学超材料表面可以实现对低频声波的宽带隔音效果。具体来说，他们发现了以下几个有趣的现象：

• 当两个相邻的乒乓球之间有一定的距离时，它们之间会产生耦合作用，从而导致两个共振频率的出现。这样就增加了吸收频带的数量和宽度。

• 当在乒乓球数组后面加上一个厚度为1厘米的亚克力板时，可以进一步增强吸收效果。这是因为亚克力板可以阻止反射波的干扰，并且可以提供一个刚性支撑。

• 当改变乒乓球上小孔的直径时，可以调节共振频率的位置和强度。这样就可以根据需要设计出不同的隔音方案。

总之，作者展示了一种用乒乓球做声学隔音的创新方法，它既简单又有效，既便宜又灵活。这种方法为低频声波的控制和操纵提供了一种新的途径，也为声学超材料表面的设计和应用提供了一种新的思路。