基于超構材料設計吸聲降噪結構的研究進展

潘永東，宋 潮，趙金峰，張曉青

（1. 同濟大學航空航天與力學學院，上海 200092；2. 同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092；3. 同濟大學上海特殊人工微結構材料及技術重點實驗室，上海 200092）

隨著工業(yè)和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展［1-2］，噪聲的影響越來越突出，已經成為了顯著的環(huán)境問題之一。在日常生活方面，噪聲不僅會損傷聽力，而且會誘發(fā)睡眠障礙和多種生理疾病［3］；在社會發(fā)展方面，工廠作業(yè)產生的噪聲嚴重影響其運營狀態(tài)和效率［4］；在國防領域，噪聲的輻射增加空中偵察機和水下潛艇等設備被敵軍探測的風險，并且對其自聲吶系統(tǒng)產生不利影響，顯著降低其隱蔽能力和安全性能［5-7］。故噪聲不僅對人體健康產生極大負面影響［8-11］，而且阻礙國民經濟發(fā)展、危害國防安全［12-14］。

噪聲是聲波的隨機變化，聲壓、頻率以及聲源都是隨時間瞬態(tài)變化的［15］，且可聽聲范圍內的聲波在介質中的耗散非常微弱［16-18］，如低頻聲波的波長可達到數米，其衍射效應明顯。圖1 統(tǒng)計了近年來在Web of Science 中發(fā)表的吸聲論文的數量。從2010年起，關于吸聲結構的論文數量呈逐年增加的趨勢，表明吸聲結構逐漸成為學術研究的熱點，這也體現(xiàn)了當代社會對吸聲結構的迫切需求。

圖1 發(fā)表論文的數量與出版年的關系Fig.1 Histogram of publication year and number of papers published

傳統(tǒng)多孔材料的吸聲基于其微孔結構，通過將聲能轉換為熱能實現(xiàn)吸聲。根據文獻［19］，多孔材料的厚度近似等于聲波波長的1/4才能實現(xiàn)對應頻率的吸聲，因此在高頻范圍內有較好的吸聲效果［20-21］，而對低于500 Hz 的低頻聲波則需要較大的厚度（至少17 cm）才能實現(xiàn)。共振型吸聲材料主要有薄板共振結構、微縫共振結構、穿孔板共振結構、微穿孔板共振結構等。其中，微穿孔板共振結構的厚度可縮小到共振波長的1/9［22］，具有優(yōu)異的中高頻吸聲性能。

聲學超構材料是一種由單元組成的人工周期性結構［23-34］，因其新穎的聲學響應性質而受到廣泛關注。聲學超表面則是超構材料中的重要分支，是指由亞波長微結構單元（λ10 ～λ，λ為聲波波長）組成的二維表面結構。超構材料的局域共振特性增加低頻狀態(tài)下的體密度［35-36］，進而有效降低了結構的共振頻率，實現(xiàn)小尺寸結構單元調控大尺度聲波。目前，基于超構材料的吸聲結構可實現(xiàn)深亞波長的極低頻近完美吸聲［29］，因此，超構材料在低頻吸聲領域具有強大的應用潛力。其中，很多學者致力于研究可調控的吸聲結構［23-24，37］，如有學者將壓電材料與聲學結構結合起來，通過外部電路控制電壓信號，由逆壓電效應調控吸聲性能［38-39］。然而，低頻范圍的寬帶吸聲依然是有待解決的重要前沿問題。

本文首先回顧了吸聲的主要機制，包括聲學黏滯性理論和熱傳導理論；簡要介紹吸聲結構的研究方法，主要有阻抗分析方法、仿真計算分析方法以及實驗分析方法。在此基礎上，根據目前已發(fā)表的文獻對吸聲結構進行分類和介紹，深入介紹基于超構材料設計的研究進展，并討論其未來可能的發(fā)展方向。

1 聲學吸收機制與研究方法

1.1 聲學吸收機制

由于實際媒質中存在黏滯作用，聲波在其中傳播時，會被吸收一部分聲能，黏滯力的存在使得同一界面上相鄰質點的運動速度存在差異，并且?guī)又車劫|質點運動，引起媒質的壓縮和膨脹現(xiàn)象，形成溫度梯度，進而產生熱傳導［40］。這2 種機制都是頻率依賴的，其對聲波的耗散能力近似正比于頻率的平方，因而對高頻聲波的吸收性能更為顯著［36，41-42］。

1.1.1 聲學黏滯性理論

圖2 聲波在管中傳播的仿真結果Fig.2 Simulation results of sound propagation in straight tube

當聲波在一個半徑為a、長度為l的圓柱形管中沿著軸向（x軸）傳播時，考慮管壁的黏滯作用時，運動方程為［40］

式中：u為聲速；p為聲壓；ua、pa分別是半徑為a處的聲速和聲壓；K為流體導熱率，K=(1-j)δv；J0為零階柱貝塞爾函數。由式（2）可知，在同一截面，ua的大小與徑向位置r密切相關。

1.1.2 熱傳導理論

1.2 研究方法

目前關于吸聲結構的主要理論研究方法包括阻抗匹配法、復頻率平面法、耦合模式理論（Coupled mode theory，CMT）和因子提取法。

耦合模式理論是從量子動力學中引申出來的概念，文獻［43］中有詳細介紹。

在阻抗匹配分析法中，阻抗匹配即結構的聲阻抗與空氣特性阻抗相等，使入射聲波完全進入結構中而不產生反射波，可用于揭示聲學結構的聲學性能［18，29，45-52］。吸聲結構的反射系數r與吸聲結構表面聲阻抗率Zs之間的關系可用式（3）表示：

其中，Z0=ρ0c0為空氣的特性阻抗。對于反射型的吸聲結構，其吸聲系數α可表示為α=1-|r|2，將該式進行歸一化處理，得到

式中：ξ=ZsZ0=xs+jys為歸一化表面聲阻抗率；xs和ys分別為聲阻率比和聲抗率比。

復頻率平面分析方法是一種有效的設計寬帶吸聲結構的經典方法［53-55］，可用于研究系統(tǒng)的物理特性。通過在波數上引入虛部，也就是將k′=ke+jki代替波數k，ke為系統(tǒng)的固有波數，ki為引入的虛波數，通過復頻率平面內實頻率f和虛頻率fi的分布可以分析吸聲結構的反射特性和吸聲特性。將k′代入到吸聲結構的聲阻抗中，記為Z′s，得到反射系數r′=(Z′s-Z0) (Z′s+Z0)表示成關于實頻率和虛頻率的函數，其中Z0為空氣的聲阻抗。在復頻率平面內，繪制關于lg|r′|的云圖，r′為反射系數。通過分析云圖上零極點的位置可判斷系統(tǒng)是否處于完美吸聲，具體分析方法如圖3。

圖3 完美吸聲體的復頻率平面分析示意Fig.3 Diagram of complex frequency plane illustration for perfect absorber (r′being the reflection coefficients)

在無損耗系統(tǒng)中，反射系數的零點和極點位于實頻率軸，對稱地分布在復頻率平面上，其對應的實頻率為系統(tǒng)的共振頻率；當系統(tǒng)考慮損耗時，反射系數的零點和極點將沿著虛頻率軸的正方向移動。當固有損耗與輻射損耗相等時，零點處于實頻率軸上，如圖3中圓圈所示，則系統(tǒng)滿足臨界耦合條件，實現(xiàn)完美吸聲，故以此可判斷系統(tǒng)是否實現(xiàn)完美吸聲。

1.3 仿真計算分析方法

近些年大部分研究學者使用有限元軟件COMSOL Multiphysics中的壓力聲學模塊仿真分析吸聲結構。在使用壓力聲學模塊時，使用平面波輻射設置入射聲壓場，如果是透射型吸聲結構，則需要設置出射界面為平面波輻射，避免聲波遇到硬邊界形成二次反射波，影響吸聲系數的計算。當所設計的吸聲結構的聲阻抗遠大于空氣的特性阻抗時，可將結構邊界設置為硬邊界，這樣將簡化計算過程，避免多物理場耦合，很大程度上減少計算時間；當所設計的結構包括管狀、腔體、孔洞等結構時，需要考慮熱損耗和黏滯效應，這些精細部分的仿真需要用到狹窄區(qū)域聲學進行計算。

1.4 實驗分析方法

吸聲系數的測量體系主要有混響室法、阻抗管法和自由場法［56］。主要介紹基于阻抗管的吸聲系數測量方法。阻抗管是測量吸聲系數的專用設備，主要供應商包括丹麥的Brüel&Kj?r公司和北京聲望聲電技術有限公司。商用阻抗管的尺寸是固定的，且大多數為圓柱形結構，限制了其他截面形狀的吸聲結構的測試，在已發(fā)表的論文中也出現(xiàn)截面為正方形的自制阻抗管［57-59］。主要的測試過程是：計算機控制駐波管中的揚聲器發(fā)出平面波，安裝在駐波管上的標準麥克風采集聲壓信號并通過數據采集卡傳送回計算機，通過計算機上的配套軟件進行處理，基于傳遞矩陣法或三傳感器法、四傳感器法計算得到測試結構的吸聲系數。3D 打印技術具備打印精密器件的能力，是現(xiàn)階段精密吸聲結構制備的主要選擇方向。目前的3D打印可以實現(xiàn)0.5mm的打印精度，且可選擇的材料包含金屬、樹脂、尼龍、軟膠等，以滿足不同的應用需求。

2 吸聲結構

目前的吸聲結構可以分為傳統(tǒng)吸聲結構和基于超構材料的吸聲結構。傳統(tǒng)的吸聲材料按吸聲機理的不同，可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結構。多孔介質的吸聲特性可以通過有效介質理論解釋［18］。共振型吸聲結構通過共振增加聲能密度，提高聲波的黏滯和耗散能力，使吸聲性能更強?；诔瑯嫴牧显O計的吸聲結構按照共振類型可以分為薄膜復合共振型超表面、卷曲空間型超表面和亥姆霍茲諧振腔型超表面。

2.1 傳統(tǒng)吸聲材料與結構設計

傳統(tǒng)材料用于吸收低頻聲波時，其厚度近似為聲波波長的1/4［19，34］，即吸聲性能與結構厚度密切相關。因此，在空間受限的情況下，多孔材料的實際應用將受到影響。為有效降低多孔材料在低頻吸聲時的結構厚度，目前常見的方法是將其填充到含有腔體的吸聲結構內部［60］或與其他聲學器件耦合［48］，基于多種耗散機制耦合實現(xiàn)吸聲，或覆蓋在吸聲結構表面用于提高系統(tǒng)損耗。

2019 年Yoon 等［21］提 出 了 使 用 拓 撲 優(yōu) 化 算法在多孔結構中夾雜剛性板，激發(fā)多種共振機制，1 500 Hz 情況下的吸聲系數幾乎為1，結構厚度為2cm。2020年Xie等［60］在同等結構厚度的情況下，將聚酯纖維填充到蜂窩結構中形成一種混合結構，如圖4a所示，在3 000 ～6 000 Hz內，結構的平均吸聲系數大于0.8。

圖4 參考文獻中涉及的聲學吸聲結構圖Fig.4 Diagrams of acoustic and sound absorption structures in references

為了獲得更好的低頻吸聲性能，Zhao 等［48］提出將三聚氰胺泡沫和迷宮通道結合，將2 種不同的損耗機制結合以提高低頻吸聲性能，在491 Hz 處實現(xiàn)完美吸聲，結構厚度與工作波長的比值為1/25。

在共振吸聲結構中，應用最廣泛的是微穿孔板吸聲結構，因其在較寬的頻率范圍內能實現(xiàn)高的吸聲性能。馬大猷先生很早提出了微穿孔板的等效電路理論［61］，詳細分析了微穿孔吸聲器的基本聲學特性，指出其缺點是在低頻范圍的吸聲性能較差［62］。

為提高微穿孔板吸聲器的低頻吸聲性能，很多研究學者在孔形設計方面做了相關研究。2018 年Zieliński 等［63］設計了一種特殊的微縫孔共振吸聲結構，該孔型的吸聲結構在750 Hz處的吸聲系數為1，比方形微穿孔板的吸聲系數提高了0.2。2020 年Carbajo 等［52］提出具有斜穿孔的微穿孔板結構，該結構的斜射角度從0°增至60°時，共振頻率由1 730 Hz移動到1 000 Hz，吸聲系數由0.07提高到0.89。

在結構耦合方面，2016 年Li 等［50］將穿孔板與內插管相結合顯著提高了結構的低頻寬帶吸聲性能，如圖4b 所示。所設計的結構在125 ～250 Hz 處的吸聲系數大于0.8，結構厚度為10 cm。

在多層微穿孔板結構的設計方面，2017 年Qian等［51］通過串并聯(lián)方式設計了一種背腔分隔的復合微穿孔板吸聲器，如圖4c所示。結構厚度為5.85 cm，在500 ～2 000 Hz的平均吸聲系數大于0.85。

為實現(xiàn)可調吸聲性能，2015年Duan等［38］使用鐵電聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）作為微穿孔板的原材料，如圖4d，通過逆壓電效應嘗試實現(xiàn)可調吸聲，在500 Hz 處的吸聲系數約為0.4。隨后，Kong 等［37］將PVDF 薄膜的穿孔率增大，通過改變激發(fā)頻率實現(xiàn)可調吸聲，在550 Hz處的吸聲系數可達到0.8。

綜上，傳統(tǒng)吸聲材料通常需要與聲學結構結合設計，在中高頻范圍的吸聲性能較好，而在低頻范圍的吸聲性能較低，且加工困難，因此很難實現(xiàn)深亞波長尺度（＜λ10或＜λ20）的低頻高效吸聲。

2.2 基于超構材料設計的吸聲結構

2.2.1 薄膜、薄板復合型超構材料

文獻［28，64］最早將薄膜材料應用于吸聲材料，提出了鑲嵌薄膜共振結構（decorated membrane resonator，DMR）。該結構主要由彈性薄膜和附著在其上的剛性質量片構成，彈性薄膜需張緊，用于提供回復力，如圖5a 中的樣品B，每塊彈性薄膜的長、寬、厚分別為159 mm、15 mm、0.2 mm。每塊薄膜的表面鑲嵌有8 片半圓形的金屬片，共有左右2 組，每組有4片，對稱分布在左右兩側，相距32 mm。在共振頻率處，質量片的拍打模式極大增加了局域聲能密度，擴寬了結構的吸聲頻帶（100 ～1 000 Hz），如圖5b中曲線所示，測試裝置為2層樣品B，樣品之間的間隔為28 mm，并在后方28 mm處放置一塊鋁板。吸 聲 峰 值 分 別 位 于164、376、511、645、827 和960 Hz。箭頭為有限元得到的吸收峰頻率位置，實驗與仿真結果一致，最低吸聲頻率為164 Hz，而整體結構厚度只有56 mm，為對應波長的1/37。

圖5 樣品B及其實驗結果［28］Fig.5 Sample B and absorption results of experiment[28]

隨后，Ma等［26］在此基礎上設計了一種基于雜化共振的薄膜吸聲器（Hybrid Membrane Resonator，HMR），該結構是在鑲嵌有質量片的薄膜共振器的基礎上增加空氣腔體和背襯結構，如圖6所示，圖中a1為薄膜半徑，s為密封腔體的深度，k為入射聲波的波矢，W為薄膜的實際位移，Ws為入射聲波振幅。由于薄膜與背襯間的多重反射，形成新的雜化共振模式，在共振頻率152 Hz 實現(xiàn)了單端口入射聲波的全吸收。并且在系統(tǒng)中引入磁場，在入射聲波的作用下，粘貼在薄膜上的導線切割磁力線而產生電流，聲電轉換效率為23%，同時實現(xiàn)了單頻吸聲和聲能采集。Yang等［65］針對該結構進行了理論分析，研究了聲波在單向入射和雙向入射情況下可實現(xiàn)的吸收能量極值問題。隨后，Yang等［66］設計了一種基于簡并共振的鑲嵌薄膜吸聲器，當單極子共振與偶極子共振的頻率相同時，就會發(fā)生簡并，此時會完全消除散射，實現(xiàn)完美吸聲。Li 等［67］將壓電效應引入薄膜共振的超構材料中，同時實現(xiàn)了隔聲與聲能采集，并研究了薄膜張力對吸聲效果的影響。

圖6 超表面單元結構的幾何示意圖和共振特性［26］Fig.6 Geometry diagram and resonance characteristics of unit cell of metasurface[26]

2019年Liao等［39］基于2種壓電材料設計了可調的吸聲超構材料，建立了壓電-結構-聲耦合模型用于分析吸聲性能。其自適應機制可根據入射波頻率調節(jié)超構材料的聲阻抗以滿足阻抗匹配。在112 ～236 Hz 的平均吸聲大于0.9，而超構材料厚度僅為30 mm。

為避免薄膜張力對吸聲性能的影響，Li 等［68］使用薄板進行吸聲。在薄板中心位置以及薄板上下兩側分別放置磁鐵，由此在薄板兩側產生強吸引力，通過磁場與板之間的相互作用在127 Hz處實現(xiàn)高效吸聲，增大磁場強度將使吸聲峰值頻率向低頻移動并且增加吸聲帶寬。

綜上，薄膜復合型超表面主要是由張緊的彈性薄膜和貼附在其上的剛性質量片組成。薄膜厚度一般為數百微米，可在深亞波長尺度下實現(xiàn)吸聲，然而，薄膜張力影響結構的吸聲效果，增加樣品制備的難度，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響；且薄膜類結構具有高品質因子，限制了其在吸聲降噪領域中的應用。薄板復合結構雖然避免了張力對實驗結果的影響，但是需要較強的外力才能使薄板運動，適用場景受到一定限制。

2.2.2 卷曲空間型超構表面

卷曲空間型超構表面主要是通過折疊空間的方法壓縮共振腔以增加聲波傳播的路徑，從而調控聲波相位實現(xiàn)吸聲。2014年Cai 等［46］基于亥姆霍茲諧振腔設計了共面螺旋管超表面，通過將諧振腔的腔體卷繞增大腔體長度，實現(xiàn)低頻吸聲。在理論和實驗上實現(xiàn)了在250 Hz 處的高效吸聲，對應波長為結構厚度的100 倍。2016 年Li 和Assouar［47］將微穿孔板與卷曲型折疊超表面結合，如圖7 所示，圖中d為穿孔直徑，a2為穿孔常數，l2為腔體深度，t為微穿孔板厚度，a3為超表面邊長，d1為穿孔直徑，b為實心梁厚度，w為空腔厚度。使用理論和仿真分析方法研究了該結構的吸聲特性，實現(xiàn)極低頻（125.8Hz）下的完美吸聲，結構厚度僅為波長的1/233。

圖7 傳統(tǒng)微穿孔板系統(tǒng)與超表面結構［47］Fig.7 Conventional perforated system and metasurface structure[47]

為了擴寬吸聲帶寬，2016 年Zhang 和Hu［49］將6個完美吸聲的卷曲空間結構拼裝成聲學超表面，如圖8 所示，圖中h為結構厚度，a為橫截面邊長，t1為隔板厚度，h1、h2、h3為高度，p1為通道寬度，Ⅰ-Ⅲ為層標號，1-6分別表示6個卷曲通道。該結構實現(xiàn)了105 ～171 Hz 內的寬帶吸聲，吸聲系數大于0.9，結構厚度僅為波長的0.07 倍。文中通過耦合模式理論計算了系統(tǒng)的聲阻抗，由阻抗匹配計算得到共振頻率與腔體長度之間的關系，進而確定在各共振頻率下的腔體長度，并將各部分腔體有機地組合起來。

圖8 一種三維單端口卷曲型超構材料［49］Fig.8 Experimental realization of a 3D single-port LAMM with broadband absorption[49]

為進一步降低結構厚度，2018 年Huang 等［69］設計了共面卷曲結構的吸聲超表面，引入插入管結構調控系統(tǒng)的聲阻抗進而實現(xiàn)可調的完美吸聲。文獻［70］應用Crandall 理論得到插入管的聲阻抗，再結合卷曲腔體的聲阻抗得到系統(tǒng)的總阻抗，研究了插入管的半徑和管長對結構聲阻與聲抗比值的影響，對插入管結構優(yōu)化具有指導作用。

為實現(xiàn)聲電轉換，2019年Jin等［71］將壓電片與卷曲空間型超表面結合，壓電片放置于在共振頻率處聲壓最大的位置，將穿孔板理論和阻抗轉移理論結合，分析了系統(tǒng)的吸聲性能，與仿真結果具有一致性。在共振頻率處，聲波被局限在超表面內，聲能密度被急劇放大，在1 303 Hz 處實現(xiàn)聲能吸收和能量采集，結構厚度為聲波波長的1/63。

為了在結構厚度不增加的情況下降低結構共振頻率，Donda 等［29］將卷曲通道放置于含有內插孔的卷曲空間中，提出了多卷曲超表面的概念（multicoiled metasurface，MCM），既充分利用了卷曲腔的空間，同時增加了額外的自由度，以此削弱腔體長度對卷曲空間共振頻率的影響，使用聲電等效電路對系統(tǒng)進行分析，實現(xiàn)了在深亞波長尺度（＜λ20）上的極低頻（50 Hz）吸聲，結構厚度（13 mm）僅為波長的1/527。該結構的物理機制是基于螺旋卷曲腔、迷宮通道和由卷曲形成的類亥姆霍茲腔體的復合共振機制，聲波在結構中的傳播路徑不僅包括卷曲通道，還包括嵌入在其內部的迷宮通道，相對于傳統(tǒng)的1/4波長諧振腔，增加了波長的傳播路徑，故使共振頻率向低頻移動。在此基礎上，作者設計了超晶胞結構實現(xiàn)了極低頻寬帶吸聲（49 ～53 Hz）。

2019 年Long 等［32］在具有全反射的剛性壁中周期性地嵌入了卷曲空間諧振腔（coiled space resonators，CSRs），實現(xiàn)單端口亞波長完美吸聲，如圖9所示（圖中PI為入射聲波，PR為反射聲波，D為2個吸聲器之間的距離，H為高度，T為海綿層厚度，Dy、Dz分別為結構在y、z方向上的周期常數），使用耦合模式理論對系統(tǒng)進行分析，并使用復頻率平面方法證明了臨界耦合。為擴寬吸聲頻帶，將6 個不同共振頻率的單元結構耦合，并在表面覆蓋薄層海綿增加系統(tǒng)損耗，實現(xiàn)了228 ～319 Hz 的寬頻近似完美吸聲，對應波長為結構厚度的12.6 ～9.0倍，吸聲系數大于0.95。此外，該課題組將單個單元的吸聲器以低填充率的方式嵌入剛性墻中［72］，將全反射的剛性墻轉換為完美吸聲體，實現(xiàn)了185 ～385 Hz 的寬頻吸聲，吸聲系數大于0.8，而對應波長為結構厚度的17.7 ～8.5倍。

圖9 低填充率吸聲結構示意與多頻帶吸聲系統(tǒng)示意［32］Fig.9 Schematic of ultrasparse absorptive system configuration at a low filling ratio[32]

由傳輸線阻抗轉移理論可知，卷曲空間型超構表面需要1/4 波長的結構空間才能實現(xiàn)阻抗匹配，因此在低頻處時，結構尺度會較大，故需結合多種共振模式降低結構尺度；而一旦內部結構固定，其吸聲頻率也隨之被確定，使該類型的吸聲結構在調節(jié)吸聲帶寬方面面臨挑戰(zhàn)。值得關注的是Sun等［73］提出了一種號筒狀中空的螺旋型超表面用于隔聲，同時實現(xiàn)了多入射角下的寬帶隔聲和高效通風，并進一步結合耗散和干涉機理，設計了多角度入射下的超寬帶通風隔聲裝置［74］，工作頻率范圍為650 ～2 000 Hz，顯著提高了其在工業(yè)領域的應用。因此，在吸聲的同時保證空氣的流通將是吸聲結構的發(fā)展方向之一，這將有利于吸聲結構在日常生活中的應用。

2.2.3 亥姆霍茲諧振腔型超表面

亥姆霍茲諧振腔（Helmholtz resonators，HRs）相比于法布里珀羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)P）諧振腔具有更小的頸口，可提供較大的聲阻，通過較小的體積實現(xiàn)低頻吸聲，因此，很多研究學者應用亥姆霍茲諧振腔實現(xiàn)低頻完美吸聲。

2016 年Jiménez 等［35］基于亥姆霍茲諧振腔設計了深亞波長尺度的超薄聲超材料。通過控制亥姆霍茲諧振腔和狹縫的尺寸，調節(jié)系統(tǒng)的熱粘損耗，使系統(tǒng)滿足臨界耦合條件。2017 年Jiménez 等［75］又提出了腔體高度梯度變化的亥姆霍茲諧振腔陣列，如圖10所示，圖中d3為結構高度，h[n]1為波導寬度，L為結構厚度，n為亥姆霍茲諧振腔編號，N=9，a［n］為波導長度，h[n]3為波導高度。該結構實現(xiàn)了300 ～1 000 Hz的寬頻完美吸聲，結構厚度為11cm。

圖10 “彩虹誘捕器”的吸聲結構示意與截面示意［75］Fig.10 Conceptual view of a rainbow trapping absorber and its section diagram[75]

為降低結構厚度，2019 年Huang 等［45］將內插管與亥姆霍茲諧振腔結合，通過調節(jié)內插管的直徑和管長實現(xiàn)了不同頻率的完美吸聲，如圖11 所示，圖中da為內插管直徑，la為內插管長度。理論分析了內插管壁的熱粘損耗和端部補償，與實驗和仿真結果一致，如圖11c中實線和點線所示，而結構厚度僅為波長的1/50。2020 年Huang 等［55］將多個嵌入內插管的亥姆霍茲諧振腔組合形成超表面，設計了低頻寬帶的吸聲結構（298 ～479 Hz，870 ～3 224 Hz），結構厚度分別為5.0cm、3.9 cm，平均吸聲系數高于0.95，體現(xiàn)了內插管在調節(jié)系統(tǒng)阻抗并實現(xiàn)可調帶寬的極大優(yōu)勢。

圖11 樣品圖與吸聲系數結果［45］Fig.11 Photograph of experimental sample and sound absorption results[45]

分析參考文獻中的吸聲頻率與吸聲系數的研究，如圖12a 所示，圖中深灰色、中灰色和淡灰色分別代表低頻（＜500 Hz）、中頻（500 ～1 000Hz）和高頻（＞1 000 Hz）區(qū)域，可以看出吸聲頻帶已基本覆蓋中高頻區(qū)域，而對100 Hz 以內的吸聲研究還較少。其次，分析了參考文獻中的吸聲頻率與發(fā)表年份的關系，如圖12b所示。由圖可知，低頻吸聲是近年研究的熱點，同樣在100 Hz 以內對極低頻吸聲的研究較少。最后，統(tǒng)計參考文獻中的工作波長λ與結構厚度D之間的最大比值，在不同吸聲結構設計中的分布如圖12c?？梢钥闯觯瑯嫴牧显诮档徒Y構厚度方面具有明顯優(yōu)勢，其比值與基于多孔材料的結構設計相比至少提高1 個數量級，在實際應用中具有明顯優(yōu)勢。

圖12 參考文獻中的相關參數分析Fig.12 Analysis of relevant parameters in references

3 實際應用與未來發(fā)展

3.1 實際應用

在實際應用方面，吸聲結構已經取得了一定的進展。在2020年的國際消費類電子產品展覽會上，日產汽車展出了基于聲學超構材料的新型輕質隔聲材料［76］，由晶格結構和塑性薄膜構成，可有效抑制500 ～1 200 Hz寬頻的噪聲傳播，并且比傳統(tǒng)隔聲材料輕75%，顯著提高了汽車的能源利用效率。同年，馬裕超工程師在基于薄膜型超構材料的降噪技術中取得突破［77］，可在100 Hz 處降低7 dB 的變壓器噪聲。值得關注的是中國香港的靜音科技集團在吸聲超構材料方面的實際應用也做出了極大的貢獻［78］，并已實現(xiàn)產品化。其設計的隔聲超構材料成功應用于酒店的中央空調系統(tǒng)［79］，將中央空調的噪聲由83 dB 降低到63 dB，并且不阻礙空氣流通，安裝方便?？v觀全球，波音航空公司、豐田汽車公司、LG電子公司、雷神導彈公司以及國內深圳光啟高等理工研究院等都在超構材料產業(yè)化方面取得了一定的成果［80］，故吸聲型的超構材料有望成為應用最廣泛的超構材料。

3.2 智能化設計與應用

在基于聲超構材料的結構設計上，利用智能算法進行結構優(yōu)化，將多聲學器件耦合，結合主被動吸聲等將是吸聲結構向小尺度、高性能、可調帶寬發(fā)展的重要方向和手段［81］。同時，在聲能吸收與采集的結構中，可將智能控制算法融入外部電路中，根據結構共振頻率調整電路參數，提高系統(tǒng)的聲能采集和吸收效率。需要解決的主要問題有：理論分析多聲學器件的耦合效應、提取有效的外部環(huán)境信號分析噪聲頻段、自適應調控結構聲阻抗等。

3.3 多種物理參數、聲學結構的耦合

在可調超構材料吸聲結構的設計中，引入電場、磁場等可大幅度提高吸聲結構的可調能力。聲波作為輸入信號，將引起電場或磁場變化，其中，電場信號的變化可以通過壓電材料實現(xiàn)，如柔性的壓電駐極體薄膜［82］；磁場信號的變化可由小型磁鐵結合導線實現(xiàn)；由此實現(xiàn)吸聲結構對外部信號變化的響應，設計可調的吸聲結構。除此之外，在吸聲結構的設計上，可同時引入多種聲學器件，耦合多種共振模式實現(xiàn)寬頻吸聲能力。

3.4 多功能發(fā)展趨勢

共振型的吸聲結構在實現(xiàn)吸聲的同時將聲能轉換為電能并存儲［83］，將是未來發(fā)展的重要方向。在工業(yè)應用領域，可為無人自主系統(tǒng)提供自供能，如無人機、機器人、無線傳感等；在交通運輸方面，可在降低高鐵、飛機噪聲的同時提供電力能源；在國防安全方面，可有效降低魚雷、潛艇等聲輻射，減小被探測到的風險并為設備提供能源。除此之外，吸聲結構的設計已經從單通道吸聲結構向雙通道吸聲結構發(fā)展，在吸聲的同時保持空氣流通，將很大程度上提高其在民用降噪領域的應用。

4 結論

在結構設計方面，以往的吸聲材料設計是基于材料本身的特性設計的，比如吸聲棉、穿孔板等；而現(xiàn)在基于超構材料概念的設計思想，可實現(xiàn)從吸聲需求入手，通過定制多功能單元和設計人工結構實現(xiàn)對聲能的主動調控，提高吸聲結構性能；在工作頻帶設計方面，從單頻到寬頻，再到向可調帶寬發(fā)展；在結構尺寸方面，從亞波長尺度到深亞波長尺度發(fā)展；在功能擴展方面，增加聲能采集與通風功能；在吸聲效果方面，從高效吸聲到向完美吸聲發(fā)展；在入射角度方面，實現(xiàn)從垂直入射到全角度入射的吸收。

然而，吸聲型超構材料同樣也面臨著許多挑戰(zhàn)。由于超構材料是根據性能指標、應用場景等需求反向設計的，因此需要逆向求解邊界條件，并優(yōu)化結構參數，這將增加計算的復雜程度；其次，由于超構材料是周期排布的人工序構，如果結構受到破壞和損傷，將會影響人工結構的正常功能，如何對超構材料進行有效檢測是一個值得思考的問題；除此之外，目前的超構材料結構大多采用3D打印，而結構的精密程度將直接受到打印精度的制約；最后，根據不同的應用領域，超構材料面臨不同的工況需求，如在軌道交通和空中客機中，受到振動、沖擊、異物撞擊等，并且對持久性有較高的要求；在船舶中，需承受臺風、海上惡劣環(huán)境以及低溫潮濕的環(huán)境；在室內應用中，受到空間的限制，并在通風、綠色環(huán)保等方面有較大要求，故如何確保超構材料在不同工況下的工作效率也是其面臨的挑戰(zhàn)。

作者貢獻聲明：

潘永東：構思論文框架，指導論文寫作與修改。

宋 潮：完成論文初稿的寫作和修改。

趙金峰：指導理論部分分析和論文寫作、修改。

張曉青：指導論文寫作與修改。