局域共振聲學(xué)超材料技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用展望

黃安畏，吳永鵬，李忠盛，孫彩云，董玲抒，舒露，吳道勛，花澤薈，羅明波

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

聲學(xué)超材料最早起源于布拉格散射型聲子晶體，即在固體或流體介質(zhì)中周期引入彈性固體形成的一種新型功能材料。一定頻率范圍內(nèi)的聲波在該種周期彈性復(fù)合介質(zhì)中傳播時，將產(chǎn)生類似光子帶隙的聲波禁帶，從而阻止該頻率范圍的聲波傳播。通常布拉格散射型聲子晶體的晶格常數(shù)與產(chǎn)生禁帶的聲波波長處于同一數(shù)量級時才能產(chǎn)生聲波禁帶，從而限制了布拉格散射型聲子晶體的應(yīng)用范圍[1-8]。

傳統(tǒng)降噪材料或結(jié)構(gòu)對裝備運行中所產(chǎn)生的中高頻噪聲具有優(yōu)異的吸/隔聲效果，但其對低頻噪聲的抑制效果較差。同時由于裝備對降噪材料的質(zhì)量以及厚度要求越發(fā)嚴(yán)格，使得傳統(tǒng)降噪材料的局限性日益突出。

1 傳統(tǒng)降噪材料

傳統(tǒng)單層隔聲材料的隔聲性能受質(zhì)量定律控制，通常，角頻率為ω 的聲波在空氣中法向作用于厚度為d 的單層隔聲材料上時，其聲透射值為：

式中：k2為固體中的波矢，（κ2和ρ2為單層隔聲材料的體積模量和密度）；v 為隔聲材料/空氣阻抗比，（κ1和ρ1為空氣的體積模量和密度）。

當(dāng)墻體厚底較小≤100 mm，頻率低于1 kHz 時，k2d ?1 ，v ?1 ，式（1）可以簡化為：

由式（2）可知，當(dāng)傳統(tǒng)隔聲材料較薄時，隔聲量只受隔聲材料的質(zhì)量ρ2d 影響，同時與聲波頻率成反比。因此，當(dāng)隔聲材料厚度較薄時，其對低頻聲波抑制效果有限[9-10]。

傳統(tǒng)的吸聲材料/結(jié)構(gòu)主要有多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)。其中多孔吸聲材料主要利用空氣黏滯特性，使部分聲能產(chǎn)生聲能耗散。同時多孔介質(zhì)中的空氣在聲波作用時將出現(xiàn)交替壓縮和膨脹而產(chǎn)生熱交換，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能。多孔吸聲材料雖能夠有效隔離噪聲中的中高頻成分，但對低頻噪聲效果較差。共振吸聲結(jié)構(gòu)主要利用亥姆霍茲共振吸聲機(jī)理，雖能顯著提高低頻段內(nèi)的吸聲性能，但通常其厚度需要≥50 mm 在低頻段才具有較好的吸聲效果[11]。

2 局域共振聲學(xué)超材料

2000 年劉正猷提出了局域共振型聲子晶體[12-13]，其結(jié)構(gòu)為將較硬的芯球通過包覆層固定在彈性薄膜上形成的局域共振結(jié)構(gòu)。當(dāng)介質(zhì)中的聲波頻率與共振單元的共振頻率接近時，共振單元與聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合作用，消耗聲能。相比產(chǎn)生同樣帶隙特征的布拉格散射型聲子晶體，其尺寸降低了2 個數(shù)量級，從而實現(xiàn)了小尺寸聲學(xué)超材料對長聲波的控制。

隨著聲學(xué)超材料的發(fā)展，局域共振聲學(xué)超材料發(fā)展出了具有諧振特性的聲學(xué)結(jié)構(gòu)超材料，表面附加局域共振單元板結(jié)構(gòu)聲學(xué)超材料，薄膜型聲學(xué)超材料等結(jié)構(gòu)形式。其中，薄膜型聲學(xué)超材料又分為附加質(zhì)量振子薄膜型聲學(xué)超材料和未附加質(zhì)量振子局域共振薄膜型聲學(xué)超材料[14-22]。

3 具有諧振特性的聲學(xué)結(jié)構(gòu)超材料

具有諧振特性的聲學(xué)結(jié)構(gòu)超材料為局域共振型聲子晶體的最初表現(xiàn)形式，是在傳統(tǒng)布拉格散射型聲子晶體概念上延伸而來。圖1 為Z. Liu等設(shè)計的具有諧振特性的聲學(xué)結(jié)構(gòu)超材料原型，其結(jié)構(gòu)為直徑5 mm 的金屬球在其外表面包覆硅膠層后，引入樹脂基體中形成的簡單立方晶格構(gòu)型，其晶格常數(shù)為1.55 cm[12]。通過理論計算以及試驗分析，該聲子晶體在380 Hz 和1340 Hz 處存在聲波禁帶，該禁帶范圍具有良好的隔聲性能。通過Comsol Multiphysics多物理場仿真分析，在該頻率下該型聲子晶體具有負(fù)的有效動質(zhì)量密度，從而產(chǎn)生了聲波禁帶。

圖1 樹脂中埋入軟材料包覆鉛球的聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)原型與隔聲曲線

同樣，Ding等將開口空心球埋入海綿機(jī)體中，制備出了一種具有負(fù)彈性模量的聲學(xué)超材料[23-24]，如圖2 所示。通過仿真計算和實驗分析發(fā)現(xiàn)，該型材料在900～1500 Hz 之間具有優(yōu)異的隔聲性能。

圖2 海綿中埋入開口空心圓球的聲學(xué)超材料樣品以及其隔聲曲線

4 表面附加局域共振單元板結(jié)構(gòu)聲學(xué)超材料

各類型裝備中大量存在的板結(jié)構(gòu)，在聲波或振動激勵下，當(dāng)其共振頻率與激勵頻率一致或接近時，板結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生共振而向板外部空間輻射聲波，該聲輻射波段通常處于低頻段。Xiao等借鑒動力吸振器原理，通過在板表面周期性引入具有諧振特性的局域共振單元形成聲學(xué)超材料。當(dāng)該共振單元的固有頻率處于板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聲透射的質(zhì)量密度控制區(qū)時，能夠有效提高板結(jié)構(gòu)在質(zhì)量控制區(qū)的隔聲量[25]。圖3ab 為梁結(jié)構(gòu)上引入局域共振單元的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，可通過改變梁的長度來調(diào)節(jié)局域共振單元的固有頻率，實現(xiàn)對聲波帶隙的調(diào)整；圖3c 為將質(zhì)量塊引入穿孔彈性材料中構(gòu)成的局域共振單元，可通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的質(zhì)量改變局域共振單元的共振頻率，從而實現(xiàn)對特定波段的隔聲控制。隔聲效果如圖3d 所示。

圖3 表面附加局域共振單元板結(jié)構(gòu)示意圖與隔聲曲線

5 局域共振薄膜型聲學(xué)超材料

5.1 附加質(zhì)量振子局域共振薄膜型聲學(xué)超材料

附加質(zhì)量振子局域共振薄膜型聲學(xué)超材料由香港科技大學(xué)提出[26-27]，由附加質(zhì)量塊的彈性薄膜固定在支撐框架中構(gòu)成。利用質(zhì)量塊和彈性薄膜組成的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)實現(xiàn)對特定頻率的彈性波產(chǎn)生選擇性吸收，該材料的典型結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 附加質(zhì)量塊局域共振薄膜型聲學(xué)超材料典型結(jié)構(gòu)

香港科技大學(xué)已成功開發(fā)出了第三代薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)，圖5—7 分別為第一代至第三產(chǎn)品原型[26-29]。附加質(zhì)量振子局域共振薄膜型聲學(xué)超材料可通過調(diào)節(jié)共振薄膜的張力附加質(zhì)量塊的質(zhì)量位置等實現(xiàn)對不同波段聲波的隔離，也可以通過層疊方式實現(xiàn)寬頻帶隔聲。

第三代薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)于2015 年提出，將金屬電極作為附加質(zhì)量振子引入局域共振薄膜，通過主動調(diào)制聲波的相位實現(xiàn)了對特定波段聲波的控制，為局域共振聲學(xué)超材料對聲波的主動控制開辟了新的思路。

5.2 未附加質(zhì)量振子局域共振薄膜型聲學(xué)超材料

Naify等將數(shù)層厚度為7.7 μm 且中心開有φ 10 μm 小孔的尼龍薄膜引入芳綸蜂窩芯，再將該復(fù)合蜂窩芯材與厚度為1 mm 的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂面板復(fù)合成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)[30]。經(jīng)測試，與未安裝尼龍薄膜的相比，安裝1 層和2 層薄膜后，在50～1600 Hz頻率范圍內(nèi)，傳聲損失分別增加2 dB 和4 dB，吸聲系數(shù)分別增加2.5 倍和1.5 倍。該結(jié)構(gòu)的示意圖及其隔聲曲線如圖8 所示。

圖5 第一代薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)與隔聲曲線

圖6 第二代薄膜型聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)模型及其吸聲曲線

圖7 第三代薄膜型聲學(xué)超材料薄板產(chǎn)品及測試現(xiàn)場圖片

北卡羅萊納州立大學(xué)和麻省理工學(xué)院研究人員將厚度約為0.25 mm 橡膠薄膜與蜂窩芯（蜂窩邊長3.65 mm，高25 mm）直接復(fù)合形成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，同樣在未引入質(zhì)量塊的情況下，其傳聲損失和吸聲系數(shù)得到了提高[31]。采用Comsol Multiphysic 軟件仿真計算及隔聲測試對比分析發(fā)現(xiàn)，相比未引入局域共振薄膜的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，在50～1600 Hz 頻率范圍，平均傳聲損失由31 dB 提高到40 dB，在500 Hz 以下的低頻段，平均傳聲損失大于50 dB。引入局域共振薄膜的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)其面密度增加了約6%，但并未影

圖8 蜂窩薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)及隔聲曲線

響蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的完整性，該結(jié)構(gòu)的示意圖及隔聲曲線如圖9 所示。該材料已應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)艙的地板和天花板等部位。

圖9 蜂窩薄膜共振結(jié)構(gòu)隔聲曲線及應(yīng)用案例

6 結(jié)語

隨著各類裝備向高速大型重載以及極端運行環(huán)境等方向發(fā)展，駕乘艙室所面臨的噪聲問題越發(fā)嚴(yán)重，強(qiáng)烈的噪聲將危害駕乘人員的健康，同時影響機(jī)載儀器和設(shè)備的運行，并且，強(qiáng)烈的噪聲將使裝備的聲隱身性能降低，對其作戰(zhàn)性能產(chǎn)生不利影響。

聲學(xué)超材料在低頻段具有聲學(xué)禁帶，在該禁帶頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)異的聲學(xué)性能，可通過采用多個聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行組合或多層聲學(xué)超材料進(jìn)行層疊組合實現(xiàn)寬頻吸/隔聲，其在各類裝備中具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，薄膜型聲學(xué)超材料是在傳統(tǒng)聲學(xué)夾層結(jié)構(gòu)中引入局域共振模塊，在不影響傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)的完整性且面密度增加很小的情況下，大幅提高低頻段的吸/隔聲性能，其已在國外的航空產(chǎn)品上實現(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用。