隔聲超構(gòu)材料的研究進(jìn)展

陳應(yīng)航,陳 鍵,徐 馳,鐘雨豪,黃唯純,盧明輝

(1.蚌埠學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，蚌埠 233030；2.南京大學(xué),固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，南京 210093)

0 引 言

隔聲功能是聲學(xué)材料的重要研究方向之一，與軍事、國(guó)防、航空航天、民生等領(lǐng)域密切相關(guān)[1-3]。在線性噪聲問(wèn)題中，依據(jù)能量守恒定律，即針對(duì)一個(gè)特定頻率，聲學(xué)材料吸收的能量加上其反射和透射的能量等于系統(tǒng)的總能量。若想實(shí)現(xiàn)隔聲功能，可以通過(guò)增大聲學(xué)材料的吸收或反射來(lái)實(shí)現(xiàn)。聲學(xué)超構(gòu)材料的研究為解決低頻隔聲問(wèn)題提供了新的思路，通過(guò)在關(guān)鍵物理尺度上對(duì)材料進(jìn)行一定的序構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得自然界材料所不具備的不同尋常的聲學(xué)特性、現(xiàn)象的特種復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)，使其在隔聲、降噪等領(lǐng)域具有廣闊的研究和應(yīng)用前景[4-5]。

傳統(tǒng)隔聲設(shè)計(jì)多基于隔聲材料或共振結(jié)構(gòu)[6]。前者通過(guò)提高隔聲層的聲阻抗或優(yōu)化吸、隔聲材料組合方式達(dá)到改善結(jié)構(gòu)隔聲性能的效果。例如汽車前圍隔音墊、公路聲屏障、大型設(shè)備的隔聲箱多是基于此類隔聲機(jī)理。這就要求隔聲層具有更高的質(zhì)量密度、厚度，良好的密封性以及材料覆蓋效果，顯然不利于實(shí)現(xiàn)隔聲結(jié)構(gòu)輕量化和輕薄化。在管道聲學(xué)領(lǐng)域，各類共鳴器或腔體被植入傳聲路徑上以實(shí)現(xiàn)對(duì)某幾個(gè)固定頻率范圍聲波的有效隔離，這類方法對(duì)應(yīng)的消聲頻率與管、腔結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系密切，在消除低頻噪聲時(shí)往往難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化。在傳統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)隔聲性能與工程實(shí)用性領(lǐng)域難以兼顧的背景下，聲學(xué)超構(gòu)材料的出現(xiàn)與發(fā)展為解決這一問(wèn)題提出了新的視角。

本文簡(jiǎn)要介紹了近些年聲學(xué)超構(gòu)材料在隔聲領(lǐng)域的研究成果，并重點(diǎn)闡述它們的作用機(jī)理、應(yīng)用背景以及發(fā)展前景。首先從隔聲原理、帶隙形成機(jī)理以及表征參數(shù)方面闡明了隔聲超構(gòu)材料與聲波作用的物理機(jī)理，論述了不同形式隔聲超構(gòu)材料的研究進(jìn)展，包括Helmholtz式、薄膜薄板式、折疊卷曲空間式以及組合式隔聲超構(gòu)材料方面的研究。最后展望了未來(lái)聲學(xué)超構(gòu)材料的研究方向。目前，隔聲超構(gòu)材料在航空航天、汽車制造、建筑、民生等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，已經(jīng)展現(xiàn)出一定的應(yīng)用價(jià)值。隔聲超構(gòu)材料可以通過(guò)輕質(zhì)、小體積的巧妙設(shè)計(jì)，尤其在改善低頻段隔聲方面，展現(xiàn)出超常的物理特性，具有傳統(tǒng)隔聲材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)制造水平要求高、成本昂貴等問(wèn)題，在工程中尚未得到廣泛推廣。本文旨在回顧總結(jié)相關(guān)科研人員的研究成果，為后人研究提供參考。

1 聲學(xué)超構(gòu)材料隔聲機(jī)理

1.1 隔聲機(jī)理的變遷

聲源發(fā)出的聲波在傳播途徑中，遇到阻擋聲波傳播的勻質(zhì)屏障物(如木板、墻體、金屬板等)，一部分被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，還有一部分聲能順利穿透屏障物輻射到其他區(qū)域。利用材料(構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng))阻礙噪聲的傳播，通過(guò)屏障后聲能降低或消除的方法，稱為隔聲。聲波在不同特性阻抗的空氣介質(zhì)與屏障物之間傳播，由于不斷反射導(dǎo)致聲能量衰減，振動(dòng)能量也隨空氣介質(zhì)的彈性與附加作用大大降低，從而達(dá)到隔聲減振效果。

隔聲材料隔聲性能與結(jié)構(gòu)、材料和聲波頻率有關(guān)。隔聲材料透聲能力的大小，用聲能量透射系數(shù)τ表示，它等于噪聲通過(guò)材料前后的聲能量比。一般隔聲材料的透射系數(shù)τ很小，描述隔聲的本領(lǐng)通常采用它的倒數(shù)，實(shí)際中常用分貝(單位dB)來(lái)度量，用分貝表示的隔聲大小的量稱為隔聲量TL(transmission loss)或稱傳聲損失。

(1)

式中：TL為隔聲量；τ為隔聲材料的透射系數(shù)。

傳統(tǒng)隔聲材料以均質(zhì)板為隔聲基體，遵循質(zhì)量控制定律。通過(guò)在均質(zhì)板表面敷貼黏彈性阻尼材料、加筋等方式提高隔聲性能，但同時(shí)也增加了隔聲材料的質(zhì)量和厚度，且對(duì)低頻段隔聲效果作用不大，因此亟待人們?cè)谛虏牧祥_(kāi)發(fā)方面實(shí)現(xiàn)突破。

在聲學(xué)材料中，等效質(zhì)量密度和等效體積模量是決定聲波在介質(zhì)中傳播的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在自然界介質(zhì)中，通常二者均為正值。聲學(xué)超構(gòu)材料可展現(xiàn)出常規(guī)聲學(xué)材料不具備的新奇物理效應(yīng)，其中最典型的就是材料等效表征參數(shù)為負(fù)值[7]。精心設(shè)計(jì)聲學(xué)超構(gòu)材料亞波長(zhǎng)共振單元，使其與背景入射場(chǎng)干涉產(chǎn)生強(qiáng)局域共振，等效質(zhì)量密度和等效體積模量可表現(xiàn)出頻率色散特性，并在共振頻率附近達(dá)到負(fù)值[8]。理論研究表明，聲學(xué)超構(gòu)材料偶極子共振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的等效質(zhì)量密度[9-12]；單極子共振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)的等效彈性體積模量[13-14]；當(dāng)偶極、單極同時(shí)共振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“雙負(fù)”效應(yīng)(負(fù)的等效質(zhì)量密度和負(fù)的等效體積模量)[15-19]。等效參數(shù)為負(fù)，聲波折射率和等效波速會(huì)變成虛數(shù)，導(dǎo)致聲波在介質(zhì)中無(wú)法前行。即當(dāng)亞波長(zhǎng)單元表現(xiàn)出負(fù)參數(shù)特性，該結(jié)構(gòu)可以表征出一定的聲衰減。借助此類材料結(jié)構(gòu)負(fù)等效參數(shù)的性質(zhì)使得聲學(xué)超構(gòu)材料領(lǐng)域的研究變得多樣化，例如實(shí)現(xiàn)聲負(fù)折射[20-23]、定向傳輸特性[24-25]、聲隱身[26-28]等。

1.2 帶隙的形成：布拉格機(jī)理和局域共振機(jī)理

聲波(統(tǒng)稱彈性波)與人工周期彈性復(fù)合材料相互作用，在特定頻率沒(méi)有對(duì)應(yīng)振動(dòng)模式即存在聲禁帶，聲波傳播被抑制從而實(shí)現(xiàn)良好隔聲性能。Bragg散射機(jī)理和局域共振機(jī)理是兩種比較成熟的聲禁帶形成機(jī)理。產(chǎn)生Bragg散射聲禁帶的為Bragg聲子晶體，彈性波在周期排列的Bragg聲子晶體中傳播發(fā)生干涉，導(dǎo)致聲波無(wú)法通過(guò)發(fā)生阻斷形成聲禁帶。Bragg帶隙對(duì)應(yīng)的角頻率與πc/a同階，c是空氣中聲速，a是結(jié)構(gòu)晶格周期，聲禁帶對(duì)應(yīng)的彈性波波長(zhǎng)為晶格常數(shù)兩倍或同數(shù)量級(jí)。另一種聲禁帶形成機(jī)理是晶格與彈性波在共振頻率處相互作用，聲波局限在晶體共振單元附近而不能繼續(xù)傳播，產(chǎn)生禁帶的稱為局域共振型聲子晶體[29]。局域共振聲子晶體聲禁帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于單元晶格常數(shù)，可在低頻段形成帶隙，且當(dāng)晶格單元非嚴(yán)格周期排列時(shí)仍存在禁帶。突破了質(zhì)量定律和Bragg散射聲子晶體諸多限制，實(shí)現(xiàn)“小尺寸控制大波長(zhǎng)”，為低頻隔聲實(shí)際應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新局面[30]。

兩種機(jī)理形成的禁帶均是由晶體結(jié)構(gòu)周期性和單個(gè)散射體Mie散射的共同作用，Bragg聲子晶體強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)周期性，晶格周期排列方式、散射體尺寸形狀及介質(zhì)材料搭配均是帶隙設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素；局域共振機(jī)理由單個(gè)散射體自身固有振動(dòng)特性主導(dǎo)，單個(gè)散射體共振結(jié)構(gòu)與散射體在基體內(nèi)分布特性是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

聲學(xué)超構(gòu)材料的概念起源于局域共振型聲子晶體，Liu 等[9]提出的局域共振型聲子晶體通常被認(rèn)為是第一種聲學(xué)超構(gòu)材料。聲子晶體側(cè)重聲波傳播過(guò)程分析，而聲學(xué)超構(gòu)材料與構(gòu)成基材相關(guān)性低，更關(guān)注結(jié)構(gòu)等效參數(shù)特性，且易實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合。聲學(xué)超構(gòu)材料單元空間尺度遠(yuǎn)小于基體波長(zhǎng)，在長(zhǎng)波假設(shè)下認(rèn)為超構(gòu)材料是均勻有效介質(zhì)。

2 Helmholtz共鳴器式隔聲超構(gòu)材料

Helmholtz共鳴器是一種最基本的聲共振系統(tǒng)，1850年由赫爾曼·馮·亥姆霍茲設(shè)計(jì)并命名，典型的Helmholtz共鳴器由剛性壁包圍的空腔和腔上一個(gè)很窄的頸部組成。頸部中流體介質(zhì)近似視為質(zhì)量，腔中可壓縮流體介質(zhì)視為彈簧，可被認(rèn)為是一個(gè)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)[31]。聲波進(jìn)入共鳴腔頸部，空腔內(nèi)空氣被壓縮。當(dāng)聲波達(dá)到Helmholtz共鳴器共振頻率，腔內(nèi)被壓縮空氣抵抗傳入聲波(相當(dāng)于彈簧質(zhì)量系統(tǒng)中彈簧位移)，入射聲壓被放大，腔內(nèi)聲壓達(dá)到峰值，實(shí)現(xiàn)負(fù)的等效體積模量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。Helmholtz共鳴器共振頻率表示為：

(2)

式中:fh為Helmholtz共鳴器基本共振頻率；c為空氣中聲速；S為Helmholtz共鳴器頸部橫截面積；V為Helmholtz共鳴器腔體體積；Leff為Helmholtz共鳴器頸部有效長(zhǎng)度。

此外，還可以計(jì)算有效體積模量，即頸部中壓降與空腔內(nèi)體積變化之比:

(3)

式中：E0為空氣體積模量；F為幾何因子；ωh為Helmholtz共鳴器基本共振角頻率；ω為外界聲的激勵(lì)角頻率；i為虛數(shù)單位；Γ為耗散損耗因子。

在過(guò)去的二十年中，Helmholtz共鳴器的概念已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到聲學(xué)超材料的發(fā)展之中。2006年，F(xiàn)ang等[13]提出了一維亞波長(zhǎng)Helmholtz共鳴器的聲學(xué)超構(gòu)材料，觀察到發(fā)生局域共振時(shí)等效彈性模量為負(fù)，并根據(jù)等效介質(zhì)理論計(jì)算了能帶結(jié)構(gòu)和透射系數(shù)。

Helmholtz共鳴器利用空氣的振動(dòng)特性，在低頻和輕質(zhì)化設(shè)計(jì)方面具有良好的優(yōu)勢(shì)。到目前為止，Helmholtz共鳴器式隔聲超構(gòu)材料在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但Helmholtz共鳴器局部共振頻率范圍較小,隔聲頻帶單一，為了拓寬Helmholtz共鳴器低頻隔聲帶寬，往往需要將其組合或周期性排列設(shè)計(jì)。Nguyen等[32]設(shè)計(jì)了一個(gè)亞波長(zhǎng)消聲器，采用緊湊組裝的狹縫型Helmholtz共鳴器結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低頻寬帶隔音和通風(fēng)，如圖1(a)所示。數(shù)值研究和實(shí)驗(yàn)表明，在0.48～0.95 kHz目標(biāo)工作頻帶上，傳輸損耗整體超過(guò)30 dB，最大隔聲性能超過(guò)50 dB。此外，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)恒定橫截面的直氣流通道，在管道環(huán)境中仍可保持良好通風(fēng)性能。Kim等[33]提出了一種氣流通暢的隔音窗，它由一個(gè)三維強(qiáng)衍射型諧振器陣列組成，每個(gè)諧振器上都有許多開(kāi)孔，如圖1(b)所示。諧振器的負(fù)等效體積模量產(chǎn)生膨脹波，同時(shí)窗口表面亞波長(zhǎng)氣孔可進(jìn)行通風(fēng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該隔音窗結(jié)構(gòu)低頻段隔聲的有效性。Liu等[34]研究了超構(gòu)材料型海水管道系統(tǒng)聲波傳輸特性，超構(gòu)材料管由周期性空氣水室Helmholtz共鳴器軸向排列而成，可在低頻范圍內(nèi)產(chǎn)生寬帶隙，使低頻聲波在管道系統(tǒng)傳播受到抑制。Theocharis等[35]研究了周期性排列的Helmholtz諧振器的充氣管結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。考慮固有粘熱損失，采用布拉格間隙調(diào)整諧振器，研究了周期性局部共振結(jié)構(gòu)中慢聲波傳播的極限和各種特征，該研究可應(yīng)用在慢聲波濾波、寬帶衰減和二維三維結(jié)構(gòu)中非線性過(guò)程的增強(qiáng)。

上述研究將若干個(gè)Helmholtz共鳴器組合或周期性排列設(shè)計(jì)，顯著地拓寬了傳統(tǒng)Helmholtz共鳴器的工作隔聲頻帶。想要進(jìn)一步降低隔聲頻帶范圍，可以通過(guò)設(shè)計(jì)Helmholtz共鳴器的大體積空腔、長(zhǎng)脖頸結(jié)構(gòu)，但這顯然不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小型化。為了不顯著增大Helmholtz共鳴器尺寸，更好地操縱低頻噪聲，Zhao等[36]將聲學(xué)亞波長(zhǎng)超表面層引進(jìn)Helmholtz共鳴器設(shè)計(jì)，研究了隔聲能力隨相位梯度的變化，結(jié)果表明在不顯著增大Helmholtz共鳴器尺寸的情況下，引進(jìn)聲學(xué)超表面層可顯著降低Helmholtz共鳴器的隔聲頻帶。Kumar等[37]組裝了一種小型通風(fēng)型可調(diào)隔音屏障，超構(gòu)材料單元由一個(gè)方形結(jié)構(gòu)和其中央通風(fēng)孔內(nèi)壁上帶有兩個(gè)方形頸部的Helmholtz腔組成，如圖1(d)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在中低頻范圍內(nèi)能顯著實(shí)現(xiàn)窄帶噪聲衰減，同時(shí)保持45%的空氣循環(huán)通風(fēng)面積。

圖1 Helmholtz共鳴器式隔聲超構(gòu)材料 (a)基于狹縫型亥姆霍茲諧振器的通風(fēng)型超構(gòu)材料[32];(b)氣流通暢隔音窗[33];(c)局域共振周期性結(jié)構(gòu)中的慢聲傳播[35];(d)通風(fēng)型聲學(xué)超構(gòu)材料窗面板[37]

3 薄膜薄板式隔聲超構(gòu)材料

薄膜型聲學(xué)超構(gòu)材料由張緊并固定在腹膜環(huán)的薄膜和固定在薄膜上的質(zhì)量塊組成[38]。薄膜薄板聲學(xué)超構(gòu)材料工作機(jī)理是利用薄膜薄板小彎曲剛度特性，在低頻聲波激勵(lì)下彎曲共振并與入射波耦合，增加共振模式提高超構(gòu)材料內(nèi)部低頻聲波的能量密度，達(dá)到隔絕或吸收低頻聲波的效果。2008年，Yang等[39]首先提出了一種具有負(fù)等效質(zhì)量密度的薄膜型聲學(xué)超構(gòu)材料。Sui等[40]設(shè)計(jì)了一種蜂窩型聲學(xué)超構(gòu)材料，該結(jié)構(gòu)在低頻率500 Hz以下聲波傳輸損耗均大于45 dB，且面密度僅為1.3 kg/m2，如圖2(a)所示。此外，以蜂窩超構(gòu)材料為核心材料的夾層板在低頻率下聲學(xué)傳輸損耗始終大于50 dB。

通過(guò)采用不同的材料填充到兩個(gè)膜間的空間或通過(guò)框架支撐薄膜，均可提高薄膜型聲學(xué)超構(gòu)材料的隔聲性能。Wang等[41]利用層狀聲學(xué)超構(gòu)材料在聲學(xué)自由場(chǎng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)完美吸收和寬帶絕緣的機(jī)制。通過(guò)耦合兩個(gè)填充多孔材料聲學(xué)超構(gòu)材料組成的層狀膜型聲學(xué)超構(gòu)材料，將上層聲學(xué)超構(gòu)材料的諧振頻率調(diào)為與下層聲學(xué)超構(gòu)材料反共振頻率相同。在臨界頻率聲波激發(fā)下，層狀聲超構(gòu)材料可以有效地將聲能集中到兩種耦合的膜型超構(gòu)材料之間的區(qū)域，通過(guò)填充多孔材料將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。該超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)優(yōu)異的性能源于雙零等效參數(shù)的實(shí)現(xiàn)，即零等效質(zhì)量密度和零等效體積模量。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在200～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)大于30 dB的寬頻隔聲，如圖2(b)所示。他還提出了一種受膜約束的聲學(xué)超構(gòu)材料，超構(gòu)材料單元使用一根長(zhǎng)棒約束住方形剛性框架并抵住上層膜的中心，如圖2(c)所示[42]。該結(jié)構(gòu)的聲傳輸損耗可在140 Hz達(dá)到26 dB的峰值，通過(guò)有限元模擬計(jì)算了單元平均法向位移、等效面密度和有效動(dòng)態(tài)質(zhì)量，并闡明了該聲學(xué)超構(gòu)材料的隔聲機(jī)理。

之前的研究中，質(zhì)量塊通常布置在薄膜型隔聲超構(gòu)材料的中心。通過(guò)合理布置薄膜型隔聲超構(gòu)材料面板上的質(zhì)量塊，可以進(jìn)一步提高薄膜型超構(gòu)材料的隔聲特性。Lu等[43]對(duì)膜型聲學(xué)超構(gòu)材料與偏心質(zhì)量的聲-結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)行模擬，并通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)(如厚度、質(zhì)量、形狀、分裂數(shù)、分裂間隙大小和分裂環(huán)質(zhì)量大小)提高隔聲性能。添加到膜上的質(zhì)量塊可改變膜表面密度和限制膜位移，從而誘導(dǎo)新反共振模式。研究表明，在小于300 Hz低頻范圍內(nèi)，外半徑為60 mm，內(nèi)半徑為50 mm的4裂環(huán)確定為最佳質(zhì)量配置，與單膜相比可提高5 dB的聲傳輸損耗。Wang等[44]研究了由方形單元陣列組成的大型面板的隔聲特性，結(jié)果表明，在低頻范圍內(nèi)該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的聲傳輸損耗峰(38 dB)。通過(guò)合理布置超構(gòu)材料面板上的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了基于多單元協(xié)同耦合的寬帶隔音目標(biāo)，在300～900 Hz的范圍內(nèi)，得到了平均傳輸損耗高于20 dB的寬帶絕緣，如圖2(d)所示。

圖2 薄膜薄板式隔聲超構(gòu)材料 (a)蜂窩狀聲學(xué)超構(gòu)材料[40];(b)分層膜型超構(gòu)材料[41];(c)受膜約束的聲學(xué)超構(gòu)材料[42];(d)大型耦合板式聲學(xué)超構(gòu)材料面板[44]

與附著有質(zhì)量塊的薄膜型隔聲超構(gòu)材料相比，沒(méi)有質(zhì)量塊的薄膜薄板型隔聲超構(gòu)材料在一定程度上可以展現(xiàn)出更佳的隔聲性能。Li等[45]提出了一種無(wú)質(zhì)量附著的多層蜂窩膜型聲學(xué)超構(gòu)材料，通過(guò)改變細(xì)胞數(shù)、膜層數(shù)、膜厚度、蜂窩芯厚度和膜的材料調(diào)節(jié)聲傳輸損耗幅值。研究表明，在超構(gòu)材料每單元面積質(zhì)量只有0.29 kg/m2、結(jié)構(gòu)總厚度為4.2 mm的情況下，平均傳聲損失達(dá)到17 dB。Ang等[46]提出了一種大表面(0.8 m×0.8 m)膜型聲學(xué)超構(gòu)材料，可在低頻寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的隔聲效果。分析研究表明，該面板的寬頻隔聲性能是由共振懸垂膜和沿晶胞邊界夾層膜的共振行為導(dǎo)致。Jung等[47]設(shè)計(jì)了一個(gè)聲學(xué)超構(gòu)材料面板，該面板上以陣列形式分布了一系列開(kāi)有環(huán)形腔的孔，在保證流體通暢的同時(shí)，降低可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)的噪聲。Gao等[48]設(shè)計(jì)了一種低面密度蜂窩硅橡膠聲學(xué)超構(gòu)材料，蜂窩鋁的加入降低了整體結(jié)構(gòu)的張力，使得薄膜的振動(dòng)接近薄板。實(shí)驗(yàn)表明，該聲學(xué)超構(gòu)材料聲傳輸損耗大大高于單層硅橡膠超構(gòu)材料，蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)和單元結(jié)構(gòu)厚度會(huì)影響阻尼控制區(qū)的聲傳輸損耗。

薄膜薄板式隔聲超構(gòu)材料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小型輕質(zhì)，且能在低頻段形成帶隙，即可以抑制低頻段彈性波的傳播，實(shí)現(xiàn)良好低頻隔聲效果。在工程實(shí)際中，可以利用薄膜和薄板的輕質(zhì)特性，設(shè)計(jì)輕質(zhì)降噪面板來(lái)降低低頻噪聲，尤其可以應(yīng)用在對(duì)質(zhì)量要求較高的航空航天和汽車制造工業(yè)領(lǐng)域中。但薄板式聲學(xué)超構(gòu)材料的缺點(diǎn)在于本身結(jié)構(gòu)太薄且剛度不足，難以承受工程實(shí)際中所需的重量。大多薄膜隔聲超構(gòu)材料的性能對(duì)膜上施加的張力非常敏感，而張力很難在長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行控制和保持，可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而急劇變化，或隨著溫度和濕度略微變化，這也限制了其在工程界的廣泛應(yīng)用。

4 折疊卷曲空間式隔聲超構(gòu)材料

Helmholtz式隔聲超構(gòu)材料的研究取得了巨大的進(jìn)展，但又有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、隔聲帶隙窄等缺點(diǎn)。而薄膜薄板式隔聲超構(gòu)材料則存在壽命短、容易變形、隔聲性能不穩(wěn)定等局限性。為了克服這些缺點(diǎn)，學(xué)者們把螺旋形、迷宮式、彎曲形和折疊鏈形等結(jié)構(gòu)引入隔聲超構(gòu)材料中，設(shè)計(jì)了折疊卷曲空間式隔聲超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)[49]。折疊卷曲空間式超構(gòu)材料具有良好的隔聲性能，一方面由于通道壁面為空氣流通提供了足夠的摩擦阻力，有效降低聲速并導(dǎo)致聲能量衰減；另一方面由于聲波進(jìn)入結(jié)構(gòu)沿盤繞或折疊路徑傳播，傳播路徑比結(jié)構(gòu)的外在物理尺寸長(zhǎng)得多，延長(zhǎng)傳播時(shí)間的同時(shí)有效降低了相位速度，這樣就可以克服Helmholtz共振型和薄膜薄板式隔聲超構(gòu)材料的缺點(diǎn)。折疊卷曲空間式聲學(xué)超構(gòu)材料已在很多工程場(chǎng)合中應(yīng)用，如聲波導(dǎo)和聲透鏡等。

Yu等[50]研究了周期性亞波長(zhǎng)聲學(xué)超構(gòu)材料光柵的聲能傳輸，亞波長(zhǎng)單元周期地排列在單層光柵上，如圖3(a)所示。在設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)，低頻段傳輸損耗可達(dá)到40 dB。亞波長(zhǎng)單元幾何形狀、光柵元素周期性和入射角都對(duì)傳輸損耗有顯著影響。Zhao等[51]提出了一種寬帶隔聲分形結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超構(gòu)材料，如圖3(b)所示。該結(jié)構(gòu)在反共振頻率附近具有較高的反射系數(shù)，可獲得較高的聲傳輸損耗，具有通風(fēng)性好、厚度小等優(yōu)點(diǎn)。Yang等[52]提出了一種可用于低頻聲能衰減的多孔聲學(xué)超構(gòu)材料面板。該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)間隔適當(dāng)距離的薄板，薄板中間各自有一個(gè)方形通孔，并在兩空心薄板之間插入亞波長(zhǎng)剛性隔板，剛性隔板有“四分之一模型”和“半模型”兩種形式。傳播至超構(gòu)材料薄板中心孔時(shí)，聲波進(jìn)入L形亞波長(zhǎng)縫隙使得傳播速度降低達(dá)到了隔音效果，如圖3(c)所示。實(shí)驗(yàn)研究表明，四分之一模型面板在1 400 Hz至2 500 Hz頻率范圍內(nèi)傳輸損耗峰值約為30 dB；半模型面板在730 Hz至2 300 Hz頻率范圍內(nèi)可被觀察到傳輸損耗帶寬的增加，最大傳輸損耗峰值約為18 dB。該設(shè)計(jì)可使聲波在亞波長(zhǎng)單元以2π的相位延遲進(jìn)行傳播，產(chǎn)生較高的聲傳輸損耗。

圖3 折疊卷曲空間式隔聲超構(gòu)材料 (a)周期性光柵結(jié)構(gòu)聲學(xué)超構(gòu)材料[50]；(b)分形結(jié)構(gòu)聲學(xué)超構(gòu)材料[51]；(c)慢波超構(gòu)材料面板[52]；(d)高反射的超稀疏超表面[17]

除了上述研究，帶有螺旋通道的卷曲空間式隔聲超構(gòu)材料也可以獲得優(yōu)異的隔聲性能。Cheng等[17]利用Mie共振性質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種二維亞波長(zhǎng)高反射超稀疏表面，如圖3(d)所示。該結(jié)構(gòu)僅有0.15個(gè)波長(zhǎng)的厚度，面密度填充比僅為15%，低頻聲波插入損失最高超過(guò)93.4%。借助特征態(tài)分析和等效參數(shù)反演表明，一個(gè)超構(gòu)材料單元內(nèi)存在兩個(gè)獨(dú)立負(fù)帶，其中一個(gè)是由單級(jí)共振產(chǎn)生的負(fù)體積模量能帶，另一個(gè)是由偶極共振引起的負(fù)質(zhì)量密度能帶。Chaffarivardavagh等[53]提出了一種類似Fano干涉的亞波長(zhǎng)開(kāi)放超構(gòu)材料，該設(shè)計(jì)由外圍螺旋環(huán)繞結(jié)構(gòu)和中心通孔兩部分組成，高效衰減流致噪聲的同時(shí)保持良好的通風(fēng)性。中心開(kāi)放區(qū)域可保持空氣高效暢通，而周向螺旋腔能使聲能大幅度衰減。實(shí)驗(yàn)表明，在小于460 Hz的低頻段可降低高達(dá)94%的透射聲能。Sun等[54]設(shè)計(jì)了一種平面輪廓型亞波長(zhǎng)厚度的通風(fēng)屏障，該結(jié)構(gòu)由一個(gè)中央空心孔和兩個(gè)不同間距的周向螺旋通道組成，結(jié)構(gòu)厚度僅為50 mm(約為波長(zhǎng)的八分之一)。該結(jié)構(gòu)在900～1 418 Hz頻率范圍內(nèi)有效阻擋90%的入射聲能，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)螺距來(lái)調(diào)整隔聲頻帶范圍。Maurya等[55]提出了一種3D迷宮式空間盤繞型聲學(xué)超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)，顯示出雙負(fù)特性且具有良好的隔聲性能。Man等[56]提出了一種具有分形空間卷曲的米氏共振超構(gòu)材料，并且系統(tǒng)研究了分形層次對(duì)空間卷曲能帶結(jié)構(gòu)和波傳播行為的影響，結(jié)果表明，隨著分形層次的增加，總帶隙寬度逐漸增加，并產(chǎn)生多帶隙，而最低帶隙也會(huì)轉(zhuǎn)移到較低的頻率范圍內(nèi)。此外，具有分形卷曲空間的三階分形結(jié)構(gòu)對(duì)不規(guī)則排列(包括水平位移、垂直位移和旋轉(zhuǎn)平移)表現(xiàn)出良好的魯棒性。折疊卷曲空間式能表現(xiàn)出較高的負(fù)折射率和頻率色散現(xiàn)象，且通過(guò)改變幾何特征參數(shù)，可將帶隙位置和寬度調(diào)整到所需頻帶內(nèi)。但這種結(jié)構(gòu)對(duì)制造要求很高，導(dǎo)致制造成本昂貴。

5 組合式隔聲超構(gòu)材料

前面概述了Helmholtz共鳴器式、薄膜薄板式和折疊卷曲空間式三種類型的隔聲超構(gòu)材料，這些隔聲結(jié)構(gòu)可以良好實(shí)現(xiàn)隔聲材料的小型化、輕量化和輕薄化，并在低頻段達(dá)到良好隔聲效果，但分別又有隔聲頻帶窄、剛度不足、設(shè)計(jì)制造困難、成本昂貴等缺點(diǎn)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，研究人員嘗試將上述結(jié)構(gòu)組合在一起獲得更佳的隔聲性能。

結(jié)合Helmholtz共鳴器式和卷曲空間式隔聲超構(gòu)材料，Wang等[57]研究了一種具有卷曲隔板的側(cè)支腔，當(dāng)隔板逐漸延伸到空腔中，卷曲路徑被拉長(zhǎng)形成空間卷曲諧振器，如圖4(a)所示。事實(shí)上，這一空間卷曲諧振器將傳統(tǒng)的Helmholtz諧振器和四分之一波長(zhǎng)管連接起來(lái)，通過(guò)擴(kuò)展分區(qū)，聲傳播有效空間被拉長(zhǎng)，工作波長(zhǎng)可達(dá)到原始空腔邊長(zhǎng)的大約26倍，導(dǎo)致基頻共振頻率移動(dòng)到較低的值，揭示了通過(guò)一個(gè)小單元對(duì)低頻聲波的操縱能力。

同時(shí)，也有研究人員將Helmholtz共鳴器和薄膜薄板結(jié)構(gòu)隔聲超構(gòu)材料結(jié)合在一起，獲得了更優(yōu)的隔聲性能。Zhang等[58]設(shè)計(jì)了由Helmholtz共鳴器和內(nèi)置裝飾膜組成的聲學(xué)超構(gòu)材料，同時(shí)具有隔聲和能量收集功能，如圖4(b)所示。理論和實(shí)驗(yàn)證明，所提出的超構(gòu)材料可獲得兩個(gè)隔聲帶，收集的聲能也在同頻率下有效獲得。入射聲壓為1 Pa時(shí)輸出功率峰值可達(dá)244 nW，比之前報(bào)道的具有相同輸入的單膜結(jié)構(gòu)高出大約14倍。此外，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)可在更寬頻率范圍內(nèi)(帶寬可達(dá)90 Hz)實(shí)現(xiàn)平均輸出功率約為20 nW的大量能量收集，該結(jié)構(gòu)可用于噪聲控制和能量收集等許多潛在應(yīng)用。Zhang等[59]報(bào)道了一種在不同頻率范圍可調(diào)諧的聲波傳輸耦合結(jié)構(gòu)，如圖4(c)所示。該結(jié)構(gòu)由一個(gè)柔性Helmholtz共鳴器和一個(gè)波導(dǎo)組成，可激發(fā)出三種主要耦合模式，并產(chǎn)生帶阻濾波器效應(yīng)。通過(guò)改變電磁力改變膜張力調(diào)節(jié)耦合振動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的濾波器效應(yīng)。Yamamoto[60]提出了一種新型聲學(xué)超構(gòu)材料板，該板周期性間隔地嵌入Helmholtz共鳴器。與傳統(tǒng)平板相比，該超構(gòu)材料板在Helmholtz共鳴器諧振頻率下表現(xiàn)出優(yōu)異的隔聲性能。在共振頻率下，超構(gòu)材料板動(dòng)態(tài)密度比同質(zhì)量傳統(tǒng)固體平板大得多，并通過(guò)嵌入多個(gè)不同共振頻率的諧振器加寬隔聲頻帶。

在另一項(xiàng)研究中，Ang等[61]提出了一種無(wú)張力膜的概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)，如圖4(d)所示。該板式聲學(xué)超構(gòu)材料除膜本身共振特性外，通過(guò)一個(gè)孔口結(jié)構(gòu)的耦合補(bǔ)充兩個(gè)封閉空腔之間的聲耦合效應(yīng)，提高材料的隔聲性能?？卓谥睆娇勺鳛檫x定頻率下傳輸損耗的調(diào)節(jié)參數(shù)。這一設(shè)計(jì)可以解決典型膜型聲學(xué)超構(gòu)材料工業(yè)應(yīng)用中的缺陷，如膜的耐久性不足、應(yīng)力松弛和板的空間一致性等問(wèn)題。

圖4 組合式隔聲超構(gòu)材料 (a)空間旋轉(zhuǎn)諧振器[57]；(b)具有隔聲和能量收集功能的復(fù)合聲學(xué)超構(gòu)材料[58]；(c)柔性亥姆霍茲諧振器和波導(dǎo)耦合的可調(diào)聲濾波器[59]；(d)通過(guò)孔耦合具有空腔的板型聲學(xué)超構(gòu)材料[61]

綜上所述，基于各自結(jié)構(gòu)特性和對(duì)聲波的響應(yīng)特性，隔聲超構(gòu)材料被分為四類：Helmholtz共鳴器式、薄膜薄板式、折疊卷曲空間式和組合結(jié)構(gòu)式，四種隔聲超構(gòu)材料的隔聲性能優(yōu)缺點(diǎn)匯總于表1。

表1 各類隔聲超構(gòu)材料對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)與展望

近20年，聲學(xué)超構(gòu)材料的基礎(chǔ)研究累積了豐富的成果，特別是在低頻寬帶隔聲領(lǐng)域顯示出非凡的應(yīng)用潛力。本文闡明了不同類型聲學(xué)超構(gòu)材料的隔聲機(jī)理，重點(diǎn)介紹了不同形式隔聲超構(gòu)材料的原理、結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用場(chǎng)景。聲學(xué)超構(gòu)材料在兼顧小尺寸和輕量化的前提下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)亞波長(zhǎng)噪聲的有效隔離，在一定程度上解決了低頻隔聲問(wèn)題。

目前，聲學(xué)超構(gòu)材料隔聲領(lǐng)域發(fā)展迅速，但挑戰(zhàn)依然存在，蘊(yùn)含著廣闊的研究空間。例如，在設(shè)計(jì)層面，目前的算法技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)Ω袈暢瑯?gòu)材料的隔聲性能進(jìn)行比較精準(zhǔn)的模擬仿真。在此基礎(chǔ)上，未來(lái)可以結(jié)合人工智能算法新技術(shù)，如拓?fù)鋬?yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)，進(jìn)一步突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的限制，有效控制材料特性，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。預(yù)計(jì)該技術(shù)會(huì)成為隔聲超構(gòu)材料從概念驗(yàn)證到具有特定隔聲功能應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)渡的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。在制造層面，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的隔聲超構(gòu)材料的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)難以投放工業(yè)大批量生產(chǎn)，迫切需要開(kāi)發(fā)適用于隔聲超構(gòu)材料的專門生產(chǎn)方法。最近，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展為聲學(xué)超構(gòu)材料的制造提供了新的機(jī)遇，該技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于可制造各種材料和尺寸范圍的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。但該制造技術(shù)依然存在局限性，需要開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的制造方法。此外，為了提高隔聲超構(gòu)材料在寬頻范圍內(nèi)的隔聲效果，往往采取組合的方式，但這會(huì)損失結(jié)構(gòu)的緊湊性。因此，為了在一定程度上保證隔聲寬頻帶和結(jié)構(gòu)緊湊性，未來(lái)制造隔聲超構(gòu)材料的基材可考慮采用活性超材料，如壓電陶瓷和熱電材料。通過(guò)外部實(shí)施主動(dòng)刺激調(diào)控隔聲超構(gòu)材料的聲學(xué)參數(shù)與共振特性，將帶隙調(diào)整到所需頻段范圍內(nèi)并獲得更優(yōu)隔聲性能，這將成為未來(lái)很有潛力的一個(gè)發(fā)展方向。隔聲超構(gòu)材料若能結(jié)合多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域綜合發(fā)展，不斷突破生產(chǎn)中碰到的瓶頸，將有望做到產(chǎn)業(yè)化和工程化，在國(guó)防、軍事和民生領(lǐng)域體現(xiàn)出更多應(yīng)用價(jià)值。