噪声控制是指通过解决噪声源、传输路径或听者的问题来减少各种环境中不需要的噪声的策略。有效的噪声控制对工程和人类健康等多个领域都有重要影响。可以使用声学吸收元件来控制噪声，这些元件旨在减少声音反射并减轻封闭空间中的噪声[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。相比之下，声学绝缘用于保护敏感区域免受噪声源的影响，或将噪声源与环境隔离[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。另一种方法是引导噪声远离敏感目标，因为声音的方向性在声能的空间分布中起着重要作用[12]、[13]、[14]、[15]。
振动结构的声辐射直接受到结构域和声学域之间耦合的影响[16]。因此，通过改变这种耦合系统的动态结构行为可以修改声音的方向性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。在这个背景下，基本的物理现象是结构湿润表面的速度会在流体中诱导粒子速度，从而影响周围声场中的压力变化[24]、[25]、[26]。相邻区域之间的相互作用会影响近场和远场的声音；因此，不同的结构振动形状会产生不同的声辐射模式[22]、[23]。例如，通过在弹性板上附加质量-弹簧单元，尽管质量-负载成本相对较高，但可以改变辐射声音的方向性[27]。也研究了点质量在薄板上不同位置对辐射噪声方向性的影响[28]。虽然能够控制声音方向性的可重构系统主要限于主动系统[29]、[30]，但最近的研究已经开发出使用超材料概念的可重构被动机电耦合系统[18]、[31]。
超材料是人工结构，由重复的共振单元组成，在整体上表现为连续系统[32]并具有共振带隙[33]。它们已被应用于声音和振动隔离[10]、[34]、[35]、[36]、[37]、隐身[13]、[14]、波导[38]，以及修改弹性系统的振动声学行为[26]、[39]、[40]。后来，智能材料被引入超材料中，以增加系统的可调属性[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。最近，通过考虑数字分流电路，出现了具有可编程特性的压电超材料[43]、[45]。
通过关注压电超材料中的驻波问题，也可以获得有趣的功能[49]。考虑到一个带有单元格的分流到共振电路的压电材料梁，作者表明选定的工作频率可以成为机电耦合系统的自然频率。此外，通过结合带隙和共振腔的概念，可以定制这种工作（或自然）频率的振动模式，以获得局部振动响应。实际上，通过适当选择/计算选定工作频率下分流电路的电感，梁的一部分可以处于带隙状态（不振荡），而另一部分则由于共振腔效应而表现出响应放大，或者整个梁可以作为两种（或更多）不同模式的组合而振荡。由于所提出的设计策略基于压电附件的计算动态属性（每个单元格的电感），因此不需要几何修改或带有执行器的主动反馈控制[50]、[51]。
在这项工作中，我们探索了使用可重构压电超材料梁来控制声音方向性。之前证明压电超材料梁中模式成形技术的理论研究在这项工作中得到了实验验证，并扩展到了声音方向性控制的研究，这些领域尚未被充分探索。所提出的配置包括一个覆盖有压电元件的主体结构，这些元件连接到电感分流电路，在实验中由数字分流电路表示。模式成形技术[49]被用来在梁的中央部分诱导目标模式形状，该部分位于两个抑制弯曲波的带隙区域之间。多物理场数值仿真（涵盖电学、弹性和声学域）进一步证明了该系统在控制振动诱导的声辐射方面的有效性，突显了其在高级声学操控和声音方向性控制方面的潜力。与之前讨论某些空间调谐模式对机电耦合超材料板辐射声音方向性影响的研究不同[18]，本文提出的模式设计能够在不同频率下设计出相似的模式形状，从而实现不同的目标频率下的相似声音方向性。
在这篇引言之后，第2节介绍了设计压电超材料梁振动模式的控制方程。第3节描述了实验装置和实验验证。在第3.1节的一般设置描述之后，第3.2节将实验定制的振动模式的动态行为与数值仿真进行了比较。第4节探讨了这些振动模式对声音方向性的影响。最后，第5节总结了我们的发现。
