聲隱身超材料發(fā)展綜述

許偉龍，彭偉才，張俊杰，何雪松

1 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430064

0 引 言

聲學(xué)超材料是一類具備超常物理特性的人工復(fù)合材料，主要表現(xiàn)為在一定頻率范圍（稱為“帶隙”）內(nèi)可抑制低頻彈性波的傳播，并具有負(fù)等效質(zhì)量密度、負(fù)等效彈性模量等自然材料所不具備的超常物理特性［1］。利用聲學(xué)超材料的低頻帶隙特性和超常物理特性，可以實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的低頻吸聲/隔聲（以下簡稱“吸隔聲”）、減振/隔振（以下簡稱“減隔振”）、聲目標(biāo)強(qiáng)度控制等功能，為水下聲隱身技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑。

水下聲隱身技術(shù)是指為了降低設(shè)備的輻射噪聲和聲目標(biāo)強(qiáng)度，所采取的一系列技術(shù)措施。聲隱身技術(shù)不僅可以減少被敵方發(fā)現(xiàn)的距離和降低被敵方發(fā)現(xiàn)的幾率，同時(shí)還可以提高探測(cè)敵方的能力。降低設(shè)備的水下輻射噪聲是目前最主要的技術(shù)手段［2-4］。

然而，目前的減振降噪技術(shù)在降低水下航行器低頻聲信號(hào)特征方面很難取得優(yōu)良的效果，而聲學(xué)覆蓋層對(duì)低頻目標(biāo)強(qiáng)度的降低又非常有限。隨著電子信息、新材料等技術(shù)的發(fā)展，聲吶技術(shù)已逐步實(shí)現(xiàn)低頻、大功率、大基陣等特點(diǎn)［5-6］。目前，主流主動(dòng)聲吶的工作頻率一般為1.5～3.5 kHz，被動(dòng)聲吶為0.1～1.5 kHz。美國自20 世紀(jì)80 年代開始研制用于探測(cè)低噪聲、安靜型潛艇的低頻主、被動(dòng)拖線陣聲吶。這是一種專門用于遠(yuǎn)程警戒低噪聲、安靜型潛艇的甚低頻聲吶，其工作頻率可以低至100 Hz 以下，主動(dòng)發(fā)射聲功率可超過230 dB，被動(dòng)檢測(cè)時(shí)作用距離可達(dá)100 km 以上［7-8］。

研究表明，利用聲學(xué)超材料的低頻帶隙特性和超常物理特性，可以實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的低頻吸隔聲、減隔振等性能，這為其在水下聲隱身領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，國內(nèi)外正在進(jìn)行大量的應(yīng)用探索研究。

本文將針對(duì)聲學(xué)超材料的物理特性，分析聲學(xué)超材料在低頻吸隔聲、減隔振以及聲目標(biāo)強(qiáng)度控制這3 個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，并對(duì)聲學(xué)超材料應(yīng)用于水下航行器的聲隱身技術(shù)進(jìn)行展望。

1 應(yīng)用前景分析

由機(jī)械振動(dòng)引起的噪聲是水下航行器的主要噪聲源之一。降低水下航行器的機(jī)械設(shè)備噪聲一般有2 個(gè)途徑：減振/隔振和吸聲/隔聲。減振/隔振是將機(jī)械設(shè)備安裝在浮筏隔振系統(tǒng)上，通過機(jī)械絕緣和減振的方法來減小機(jī)械振動(dòng)。近年來，浮筏技術(shù)得到應(yīng)用并取得了很好的減振降噪效果。吸聲/隔聲是通過在殼體內(nèi)、外表面敷設(shè)吸聲和隔聲材料來吸收和屏蔽由空氣噪聲引起的水下噪聲。

然而，傳統(tǒng)的隔聲材料服從質(zhì)量密度定律——重量較大，低頻效果很差，很難滿足實(shí)際需要。傳統(tǒng)的吸聲措施主要采用多孔材料，其在低頻段吸聲系數(shù)較低，需要很大的厚度才能提高低頻段的吸聲系數(shù)。

為了降低航行器的聲目標(biāo)強(qiáng)度，減少主動(dòng)聲吶的反射，通常在航行器殼體表面覆蓋消聲瓦。消聲瓦主要是依靠材料的粘滯阻尼來消耗聲波能量，而粘滯阻尼的物理定律決定了其在低頻段的耗散必然低于高頻段?？梢姴牧虾徒Y(jié)構(gòu)在低頻范圍均有一定的局限性，不能有效吸收幾百赫茲的低頻聲波。

由于傳統(tǒng)材料在水下隱身方面存在欠缺，因此具有特殊物理特性的人工復(fù)合材料開始成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

聲學(xué)超材料概念最初是由Liu 等［9-10］在研究局部共振聲學(xué)材料時(shí)提出的，其設(shè)計(jì)了一種基于局域共振機(jī)理的新型材料，并從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了材料的負(fù)有效模量：材料晶格尺寸遠(yuǎn)小于其聲子晶體禁帶所對(duì)應(yīng)的波長，突破了布拉格散射機(jī)理的限制，成功實(shí)現(xiàn)了小尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)大波長（低頻）聲波傳播的抑制，如圖1 所示。

圖1 局域共振型聲子晶體Fig.1 Structure of locally resonant acoustic material

聲學(xué)超材料是在聲子晶體研究的基礎(chǔ)上提出的一種新概念，是由不同的彈性模量和質(zhì)量密度材料構(gòu)成的周期性人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有負(fù)的等效彈性模量或負(fù)的等效質(zhì)量密度。當(dāng)聲波或彈性波在其中傳播時(shí)，能呈現(xiàn)出傳統(tǒng)材料所沒有的性質(zhì)，如負(fù)折射及平面聚焦、聲散射等。與聲子晶體相比，超材料一般工作在亞波長尺度，其元胞尺度通常比工作波長小一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸對(duì)大波長的控制［11-12］。

通過對(duì)超材料的材料組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的調(diào)諧，為低頻水下聲隱身帶來了希望。

2 聲學(xué)超材料在減隔振方面的研究進(jìn)展

現(xiàn)有理論及實(shí)驗(yàn)研究已證實(shí)，利用超材料中的低頻局域共振帶隙，可以有效抑制結(jié)構(gòu)中的低頻彈性波傳播，衰減結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)響應(yīng)與傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)低頻聲透射、聲輻射的高效控制［13-15］。在工程結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)中，通過在不同支撐結(jié)構(gòu)上周期性地附加局域共振單元，構(gòu)建了一類具有低頻局域共振帶隙的局域共振型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有望用于水下航行器設(shè)備的結(jié)構(gòu)減隔振。

支撐結(jié)構(gòu)主要包括桿狀結(jié)構(gòu)以及板類結(jié)構(gòu)等。桿狀結(jié)構(gòu)聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)一般采用2 種方式：一是不同材料沿軸向周期性排列結(jié)構(gòu)；二是附加局域共振單元在連續(xù)梁上周期性布置。針對(duì)軸系、齒輪傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)中的低頻減振需求，目前正在開展桿的軸向拉壓和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)帶隙、梁的彎曲和彎扭組合振動(dòng)帶隙等方面的研究［16］。

周期性桿狀結(jié)構(gòu)屬于一維局域共振聲子晶體，最早的研究工作始于1970 年，Mead［17］研究了周期性剛性支承條件無限長梁中彈性波的傳輸特性，分別分析了結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳輸與衰減特性。郁殿龍等［18-20］對(duì)由鋁和環(huán)氧樹脂這2 種材料交替排布的一維桿狀聲子晶體中的表面局域態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明這2 種材料按不同的排列順序排布對(duì)減振效果影響較大。當(dāng)滿足表面局域態(tài)存在的條件時(shí)，在振動(dòng)帶隙內(nèi)會(huì)出現(xiàn)共振峰，共振峰內(nèi)減振可達(dá)20 dB 以上。圖2 所示為一種局域共振型梁結(jié)構(gòu)示意圖［21］。圖中：a 為相鄰結(jié)構(gòu)單元相隔的距離；l 為束狀共鳴器總長的一半；lr為束狀共鳴器的翼展長；w 為共鳴器單元寬度；t 為共鳴器厚度；h 為主梁厚度；b 為主梁寬度；mr為共振單元質(zhì)量；m0為主梁質(zhì)量；kr為彈簧的彈性系數(shù)。

圖2 一種局域共振型梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a locally resonant beam structure

板類結(jié)構(gòu)聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)一般是將孔、柱或者諧振腔等微結(jié)構(gòu)周期性地布置在板上，這樣可以抑制板的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)降低外部聲激勵(lì)在板類結(jié)構(gòu)上傳播的目的［22-24］。該類超材料將有助于降低設(shè)備殼體低頻振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和傳播。

2005 年，王剛［25］率先對(duì)一種由板上周期性附加柱狀共振單元構(gòu)成的聲學(xué)超材料板的彎曲波傳播特性進(jìn)行了研究，并在實(shí)驗(yàn)中證明，該種結(jié)構(gòu)存在彎曲波帶隙，在帶隙范圍內(nèi)，基體板的彎曲振動(dòng)傳遞會(huì)被明顯衰減。2011 年，Oudich 等［26］對(duì)構(gòu)型相同的聲學(xué)超材料板結(jié)構(gòu)展開實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的Lamb 波完全帶隙特性，并指出聲學(xué)超材料板在減振降噪方面具有潛在的應(yīng)用前景。2014年，Xiao 等［27］設(shè)計(jì)、制備了一種在薄板上附加周期性“懸臂梁式”共振單元的局域共振型板結(jié)構(gòu)，理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明，這種結(jié)構(gòu)具有低頻彎曲波帶隙和低頻彎曲振動(dòng)衰減特性，如圖3 所示，這為結(jié)構(gòu)低頻減振降噪設(shè)計(jì)提供了新的原理和方法。

圖3 一種局域共振型板結(jié)構(gòu)示意圖以及減振特性測(cè)試結(jié)果Fig.3 Schematic diagram of a locally resonant beam plate structure and the test results of vibration absorption characteristic

Asiri［28］和Szefi［29］分別對(duì)由彈性元件和剛性元件組成的桿狀及層狀周期結(jié)構(gòu)的振動(dòng)帶隙予以了研究，結(jié)果顯示其可有效隔離直升機(jī)齒輪箱的振動(dòng)傳播。文中，作者還利用Ritz近似方法對(duì)層狀周期結(jié)構(gòu)隔振器進(jìn)行建模，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出了和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的帶隙。為降低周期結(jié)構(gòu)帶隙的起始頻率，采用嵌入式流體單元來增加剛性元件的質(zhì)量，取得了明顯的效果，如圖4（a）所示。Asiri［28］還分別采用幾何參數(shù)和材料參數(shù)的周期性方式針對(duì)汽車減振用周期性隔振器進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，測(cè)試結(jié)果如圖4（b）所示。

本節(jié)分析了聲學(xué)超材料在減隔振方面的研究進(jìn)展，介紹了各類周期結(jié)構(gòu)超材料的減隔振特性。通過把水下航行體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成超材料，設(shè)備結(jié)構(gòu)可具備減振功能；而把超材料隔振元器件用于設(shè)備隔振，可以有效阻隔振動(dòng)傳播，提高水下設(shè)備的減隔振能力。

圖4 一種層狀周期結(jié)構(gòu)隔振器示意圖及減振特性測(cè)試結(jié)果Fig.4 Schematic diagram of a laminated periodic structure vibration isolator and the test results of vibration absorption characteristic

當(dāng)前，水下航行體的所有機(jī)械設(shè)備都通過隔振器安裝在浮筏上，由于機(jī)械設(shè)備激勵(lì)源的頻率不穩(wěn)定，因此需要對(duì)激勵(lì)頻率波動(dòng)不敏感且具備低頻段寬頻帶特點(diǎn)的隔振器。雖然現(xiàn)有周期結(jié)構(gòu)的超材料已經(jīng)能夠在較低頻率上發(fā)揮減隔振的作用，但是低頻段帶隙的帶寬還較窄，不能完全覆蓋低頻段，且不同頻率處的隔振效果參差不齊。同時(shí)，水下航行體所需的隔振系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，包括機(jī)械設(shè)備、上層隔振器、浮筏、下層隔振器、基座-船體結(jié)構(gòu)和船外流場等，需要解決柔性復(fù)雜隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞和彈性耦合效應(yīng)，以及水下復(fù)雜殼體的振動(dòng)聲輻射及流固耦合效應(yīng)等科學(xué)問題。因此，還需要針對(duì)水下航行體內(nèi)的振動(dòng)源特性以及振動(dòng)傳遞特性，從超材料的減隔振機(jī)理出發(fā)，設(shè)計(jì)優(yōu)化具有低頻段帶隙的聲學(xué)超材料隔振器。

3 聲學(xué)超材料在吸隔聲方面的研究進(jìn)展

經(jīng)典吸聲材料的性能依賴于其厚度，1/4 波長的厚度就可以達(dá)到充分的吸聲性能效果，但當(dāng)頻率較低時(shí)，所需吸聲材料的尺寸會(huì)非常大［30］。而聲學(xué)超材料的能量密度則可以達(dá)到一個(gè)很高的水平。在低頻范圍內(nèi)，其吸收系數(shù)的變化幅度較小，可以通過比較高的能量密度來獲得比較好的聲波吸收性能，可用于控制水下航行體艙室內(nèi)的空氣噪聲和管路流體噪聲。目前，吸隔聲方面的聲學(xué)超材料有薄膜型、Helmholtz共振腔型和聲學(xué)超表面等。

薄膜型聲學(xué)超材料的設(shè)計(jì)一般是在薄膜單元上布置質(zhì)量塊。在薄膜單元的張力和不同大小質(zhì)量塊的作用下，在低頻段會(huì)形成一個(gè)帶隙。若將多個(gè)薄膜單元疊加在一起，不同單元可控制不同的帶隙，從而實(shí)現(xiàn)各頻段的吸聲［31-32］。

梅軍等［33-34］將0.2 mm 厚的矩形薄膜固定在剛性方格上，并在膜上固定多塊半圓形小板，設(shè)計(jì)出了一種“暗”聲學(xué)薄膜型超材料，如圖5 所示。由于結(jié)構(gòu)的多重共振，在多個(gè)共振頻率附近，彎曲波能量均被結(jié)構(gòu)所吸收。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，這種輕質(zhì)薄膜型聲學(xué)超材料在100 Hz～1 kHz 的低頻范圍內(nèi)具有高效的吸聲能力。

圖5 “暗”聲學(xué)超材料及其空氣聲吸聲系數(shù)曲線Fig.5 Sample of the dark acoustic metamaterials and its air acoustic absorption coefficeint curve

2006 年，F(xiàn)ang 等［35］研究了一種由周期陣列的充水Helmholtz 共振器組成的一維局域共振型聲子晶體，其通過在波導(dǎo)管的一端用聲源作為激勵(lì)信號(hào)，激發(fā)Helmholtz 共振器短管處的流體運(yùn)動(dòng)，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率接近Helmholtz 共振器的共振頻率時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)等效模量。負(fù)等效模量的產(chǎn)生是由于Helmholtz 共振器短管處聲波運(yùn)動(dòng)與外界提供聲波的聲壓場反相所導(dǎo)致，類似于負(fù)等效質(zhì)量密度，可以有效衰減聲波。圖6 所示為由Helmholtz 共振器組成的聲學(xué)超材料示意圖以及等效模量（Eeff）計(jì)算值。圖中，Re（E）為等效模量的實(shí)部值，Im（E）為等效模量的虛部值。

圖6 Helmholtz 共振器組成的板結(jié)構(gòu)超材料及等效模量計(jì)算值Fig.6 A new class of acoustic metamaterial consisting of arrays of subwavelength Helmholtz resonators and the calculated effective bulk modulus

丁昌林等［36-37］提出了一種開口空心球（split hollow sphere，SHS）模型，其通過在海綿基體中埋入大小不同的開口空心聚乙烯圓球，制備出了具有負(fù)彈性模量的聲學(xué)材料，如圖7（a）所示，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與聲透射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示制備出的材料相對(duì)于單獨(dú)的海綿基體和單獨(dú)的聚乙烯圓球，吸聲性能得到了提高，在5 kHz 附近出現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸收峰，測(cè)試結(jié)果如圖7（b）所示。同時(shí)，還研究了SHS 的幾何尺寸（其中R 為開孔球半徑，d 為開孔大小，t1為厚度，d1為整個(gè)材料厚度）、排列方式（其中a1為兩個(gè)SHS 圓心的距離）和數(shù)目變化，以及空腔中充滿空氣或水時(shí)對(duì)透射性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)幾何尺寸，可以調(diào)整聲學(xué)超材料的透射系數(shù)。

圖7 海綿中埋入SHS的聲學(xué)超材料樣品示意圖與隔聲曲線Fig.7 Schematic diagram of an acoustic metamaterial sample embedded with SHS in sponge and the acoustic isolation curves

聲學(xué)超表面是由多種微結(jié)構(gòu)單元按特殊序列排列在一起形成的具有亞波長厚度的平面性超材料體系，突破了體積型超材料體系體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、損耗大等固有局限性，其輕薄化的特性使得利用現(xiàn)有技術(shù)更加容易制備［38-39］。超表面可通過對(duì)介質(zhì)的阻抗匹配實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻聲波的全吸收，為控制水下設(shè)備的低頻線譜噪聲提供了新的方法。聲學(xué)超表面技術(shù)還能通過調(diào)制入射波相位實(shí)現(xiàn)對(duì)反射聲波的調(diào)控，此技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備通海管道流噪聲的控制。

Ma 等［40］設(shè)計(jì)了一種薄膜型聲學(xué)超表面，其阻抗可與空氣聲阻抗相匹配，聲波在表面處全部耗散，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻聲波的全吸收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，一層厚度僅17 mm 的結(jié)構(gòu)就可以對(duì)152 Hz頻率的聲波實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.4%的吸收率。Li 等［41］設(shè)計(jì)了一種基于迷宮結(jié)構(gòu)的低頻全吸收聲學(xué)超表面，該超表面元胞由1 個(gè)迷宮和1 個(gè)穿孔蓋板構(gòu)成，如圖8 所示。圖中：a2為超表面元胞邊長；d2為迷宮蓋板小孔的直徑；w2為迷宮槽寬；b2為迷宮棱寬；t2為蓋板厚度；l2為迷宮槽深；α 為吸聲系數(shù)。聲學(xué)超表面吸聲技術(shù)也可以從空氣聲學(xué)延伸至其他流體介質(zhì)，從而應(yīng)用于水聲等領(lǐng)域。

圖8 全吸收聲學(xué)超表面結(jié)構(gòu)及其吸聲系數(shù)曲線Fig.8 Acoustic metasurface structure and its acoustic absorption coefficient curves

本節(jié)對(duì)薄膜型、Helmholtz 共振腔型、聲學(xué)超表面等吸隔聲方面的聲學(xué)超材料予以了列舉分析，考慮到空間重量約束，認(rèn)為薄膜型以及聲學(xué)超表面的聲學(xué)材料可以用于設(shè)備隔聲罩，能有效控制水下航行器艙室內(nèi)的空氣噪聲。但通過上述分析可知，目前薄膜型、Helmholtz 共振腔型聲學(xué)超材料具有體系體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、損耗大等特點(diǎn)，暫不具備大規(guī)模應(yīng)用的條件，而聲學(xué)超表面設(shè)計(jì)方案由于實(shí)現(xiàn)機(jī)理和結(jié)構(gòu)的限制，一般只對(duì)特定的頻帶有效，不具寬帶適應(yīng)性。因此，還需針對(duì)吸隔聲超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造需求，探究滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、材料多樣性的制造技術(shù)新工藝、新方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)高精度、高效率的制造，從而實(shí)現(xiàn)功能需求和制造技術(shù)以及成本的雙贏。

4 聲學(xué)超材料在聲目標(biāo)強(qiáng)度控制方面的研究進(jìn)展

通過在水下航行體殼體表面敷設(shè)消聲瓦，可以有效降低水下航行器的目標(biāo)強(qiáng)度。目前，已有學(xué)者將聲學(xué)超材料思想引入水聲消聲瓦設(shè)計(jì)中［42-43］。當(dāng)前，有望用于聲目標(biāo)強(qiáng)度控制的聲學(xué)超材料有局域共振型和五模式超材料等。

趙宏剛等［44］提出將人工局域共振單元引入水聲吸聲覆蓋層，并在共振單元材料中引入阻尼耗散，其基于多重散射法進(jìn)行建模，證實(shí)了在低頻水聲吸聲應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。隨后，其又從Mie 散射的角度詳細(xì)分析了局域共振單元的低頻吸聲機(jī)理，指出單元在共振頻率附近能高效地將入射縱波轉(zhuǎn)換為橫波模態(tài)，進(jìn)而增強(qiáng)聲波的吸收效率。圖9 所示為含有局域共振單元的新型水聲吸聲覆蓋層樣品示意圖，以及其吸聲性能測(cè)試結(jié)果。圖中：L1為第1 層共振材料距壁面的距離；L2為兩層材料之間的距離；L3為第2 層共振材料距壁面的距離。由圖可看出，該樣品在700～1 500 Hz 較低頻段的吸聲系數(shù)均高于0.8，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)空腔型水聲吸聲覆蓋層在這一頻段的吸聲性能。

圖9 一種局域共振吸聲材料及其水聲吸聲系數(shù)曲線Fig.9 Sample of a locally resonant acoustic absorbing material and its acoustic absorption coefficient curves of water

局域共振聲學(xué)超材料層在共振頻率處對(duì)聲散射有著顯著的抑制作用，這與傳統(tǒng)消聲瓦的作用機(jī)理存在較大區(qū)別。這一研究初步表明，利用聲學(xué)超材料思想設(shè)計(jì)新型消聲瓦，有望實(shí)現(xiàn)低頻、寬帶的水聲隔聲效果。但是，400 Hz 以下低頻段的隔聲性能研究仍有待改善提高。

五模式超材料作為一種新型的超材料，由Milton 等［45］于1995 年提出。這種聲學(xué)超材料彈性剛度矩陣的6 個(gè)特征值中有5 個(gè)為0，在靜態(tài)情況下其只能承載壓縮形變，是具有“流體”性質(zhì)的聲學(xué)超材料。五模式超材料具有各向異性彈性性質(zhì)，可用于聲學(xué)隱身衣、超透鏡和超表面等，在聲波調(diào)控和聲隱身方面有著重要的潛在價(jià)值，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

在國內(nèi)，Xiao等［46］針對(duì)五模式超材料進(jìn)行了研究，并試制了五模式層狀圓環(huán)形聲斗篷，如圖10所示。

圖10 隱身衣樣品及其測(cè)試曲線Fig.10 Sample of acoustic cloak and its test curves

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小尺寸低頻聲波的調(diào)控，王兆宏等［47］借鑒局域共振型聲子晶體的工作原理，提出了一種基于局域共振機(jī)理的五模式超材料，如圖11所示，該單胞構(gòu)件采用中間為2 個(gè)圓臺(tái)相交重合、兩端為圓柱體的結(jié)構(gòu)形式。圖中：D 為圓臺(tái)相交重合結(jié)構(gòu)直徑；h′為圓臺(tái)長度；1和為兩端圓柱材料長；和為兩端圓柱直徑。研究結(jié)果表明，新型的五模式超材料的工作頻率降低了至少2 個(gè)數(shù)量級(jí)，可在100 Hz 以下頻段形成完全聲子禁帶。

本節(jié)分析了局域共振型聲學(xué)超材料以及五模式超材料，研究表明將超材料加入到消聲瓦設(shè)計(jì)中可以有效提高消聲瓦應(yīng)對(duì)主動(dòng)聲吶的探測(cè)能力，能降低水下航行器的目標(biāo)強(qiáng)度。

圖11 局域共振型五模式超材料及其聲子能帶圖Fig.11 Pentamode metamaterials of locally resonant type and its diagram of the phonon band

雖然局域共振型聲學(xué)超材料展現(xiàn)出了寬頻強(qiáng)吸聲的特性，但該材料仍存在一定的缺陷：由于要求的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所以難以準(zhǔn)確控制材料的周期性排列，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而且在水壓下將破壞主體結(jié)構(gòu)，對(duì)吸聲性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而五模式超材料的研究仍然停留在理論研究階段，其樣機(jī)雖然在高頻段展示出了良好的性能，但在低頻段還無法實(shí)現(xiàn)寬頻吸聲的效果。

5 結(jié)論與展望

本文從減隔振、吸隔聲以及聲目標(biāo)強(qiáng)度控制3 個(gè)方面分析了聲學(xué)超材料的特性以及其研究進(jìn)展，結(jié)果表明，目前聲學(xué)超材料在降低水下噪聲和聲目標(biāo)強(qiáng)度方面，表現(xiàn)要優(yōu)于傳統(tǒng)材料。

根據(jù)不同類型聲學(xué)超材料的特性，將水下航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成支撐結(jié)構(gòu)超材料，可使設(shè)備結(jié)構(gòu)具備減振功能；把超材料隔振元器件用于設(shè)備隔振，可以有效阻隔振動(dòng)傳播；薄膜型以及聲學(xué)超表面的聲學(xué)材料可以用于設(shè)備隔聲罩，能有效控制水下航行器艙室內(nèi)的空氣噪聲；而將超材料加入消聲瓦設(shè)計(jì)中，則可以有效提高消聲瓦應(yīng)對(duì)主動(dòng)聲吶的探測(cè)能力，降低水下航行器的目標(biāo)強(qiáng)度。聲學(xué)超材料的微結(jié)構(gòu)形式多樣，其應(yīng)用功能也不盡相同，可以通過精心設(shè)計(jì)一種材料或結(jié)構(gòu)來發(fā)揮其功效，也可以通過材料和結(jié)構(gòu)的組合來融合多種功能。

國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過10 余年的不斷探索，在聲學(xué)超材料特性研究方面取得了很大進(jìn)展，已有研究初步驗(yàn)證了聲學(xué)超材料應(yīng)用于減振降噪和水下航行體聲學(xué)覆蓋層設(shè)計(jì)的可行性，不過，未來仍有大量的工作需要進(jìn)一步深入研究拓展。當(dāng)前的聲學(xué)超材料研究大多是孤立地考察其聲振特性，較少考慮復(fù)雜的邊界、載荷條件，以及實(shí)際工程應(yīng)用中的尺寸、質(zhì)量、環(huán)境等約束條件，因而未來的研究需進(jìn)一步朝實(shí)際工程應(yīng)用方面推進(jìn)。

聲學(xué)超材料具備天然材料所沒有的超常物理特性，輕質(zhì)、低頻、寬帶、小尺寸、強(qiáng)衰減依然是聲學(xué)超材料應(yīng)用研究不斷追求的目標(biāo)，未來仍需朝這一目標(biāo)不斷發(fā)展，探索更多的新機(jī)制、新原理。隨著一些新的方法、理念以及3D 打印加工技術(shù)的出現(xiàn)，聲學(xué)超材料將得到進(jìn)一步的發(fā)展，進(jìn)而牽引新型聲隱身技術(shù)的發(fā)展。