隔聲超構材料的研究進展

陳應航,陳 鍵,徐 馳,鐘雨豪,黃唯純,盧明輝

(1.蚌埠學院機械與車輛工程學院，蚌埠 233030；2.南京大學,固體微結構物理國家重點實驗室,現代工程與應用科學學院，南京 210093)

0 引 言

隔聲功能是聲學材料的重要研究方向之一，與軍事、國防、航空航天、民生等領域密切相關[1-3]。在線性噪聲問題中，依據能量守恒定律，即針對一個特定頻率，聲學材料吸收的能量加上其反射和透射的能量等于系統的總能量。若想實現隔聲功能，可以通過增大聲學材料的吸收或反射來實現。聲學超構材料的研究為解決低頻隔聲問題提供了新的思路，通過在關鍵物理尺度上對材料進行一定的序構設計，獲得自然界材料所不具備的不同尋常的聲學特性、現象的特種復合材料或結構，使其在隔聲、降噪等領域具有廣闊的研究和應用前景[4-5]。

傳統隔聲設計多基于隔聲材料或共振結構[6]。前者通過提高隔聲層的聲阻抗或優化吸、隔聲材料組合方式達到改善結構隔聲性能的效果。例如汽車前圍隔音墊、公路聲屏障、大型設備的隔聲箱多是基于此類隔聲機理。這就要求隔聲層具有更高的質量密度、厚度，良好的密封性以及材料覆蓋效果，顯然不利于實現隔聲結構輕量化和輕薄化。在管道聲學領域，各類共鳴器或腔體被植入傳聲路徑上以實現對某幾個固定頻率范圍聲波的有效隔離，這類方法對應的消聲頻率與管、腔結構參數關系密切，在消除低頻噪聲時往往難以同時實現結構小型化。在傳統材料、結構隔聲性能與工程實用性領域難以兼顧的背景下，聲學超構材料的出現與發展為解決這一問題提出了新的視角。

本文簡要介紹了近些年聲學超構材料在隔聲領域的研究成果，并重點闡述它們的作用機理、應用背景以及發展前景。首先從隔聲原理、帶隙形成機理以及表征參數方面闡明了隔聲超構材料與聲波作用的物理機理，論述了不同形式隔聲超構材料的研究進展，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材料方面的研究。最后展望了未來聲學超構材料的研究方向。目前，隔聲超構材料在航空航天、汽車制造、建筑、民生等領域得到了應用，已經展現出一定的應用價值。隔聲超構材料可以通過輕質、小體積的巧妙設計，尤其在改善低頻段隔聲方面，展現出超常的物理特性，具有傳統隔聲材料無法比擬的優勢。但由于其結構復雜、對制造水平要求高、成本昂貴等問題，在工程中尚未得到廣泛推廣。本文旨在回顧總結相關科研人員的研究成果，為后人研究提供參考。

1 聲學超構材料隔聲機理

1.1 隔聲機理的變遷

聲源發出的聲波在傳播途徑中，遇到阻擋聲波傳播的勻質屏障物(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域。利用材料(構件、結構或系統)阻礙噪聲的傳播，通過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與屏障物之間傳播，由于不斷反射導致聲能量衰減，振動能量也隨空氣介質的彈性與附加作用大大降低，從而達到隔聲減振效果。

隔聲材料隔聲性能與結構、材料和聲波頻率有關。隔聲材料透聲能力的大小，用聲能量透射系數τ表示，它等于噪聲通過材料前后的聲能量比。一般隔聲材料的透射系數τ很小，描述隔聲的本領通常采用它的倒數，實際中常用分貝(單位dB)來度量，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。

傳統隔聲材料以均質板為隔聲基體，遵循質量控制定律。通過在均質板表面敷貼黏彈性阻尼材料、加筋等方式提高隔聲性能，但同時也增加了隔聲材料的質量和厚度，且對低頻段隔聲效果作用不大，因此亟待人們在新材料開發方面實現突破。

在聲學材料中，等效質量密度和等效體積模量是決定聲波在介質中傳播的兩個關鍵參數。在自然界介質中，通常二者均為正值。聲學超構材料可展現出常規聲學材料不具備的新奇物理效應，其中最典型的就是材料等效表征參數為負值[7]。精心設計聲學超構材料亞波長共振單元，使其與背景入射場干涉產生強局域共振，等效質量密度和等效體積模量可表現出頻率色散特性，并在共振頻率附近達到負值[8]。理論研究表明，聲學超構材料偶極子共振時，會產生負的等效質量密度[9-12]；單極子共振時，會產生負的等效彈性體積模量[13-14]；當偶極、單極同時共振時，會產生“雙負”效應(負的等效質量密度和負的等效體積模量)[15-19]。等效參數為負，聲波折射率和等效波速會變成虛數，導致聲波在介質中無法前行。即當亞波長單元表現出負參數特性，該結構可以表征出一定的聲衰減。借助此類材料結構負等效參數的性質使得聲學超構材料領域的研究變得多樣化，例如實現聲負折射[20-23]、定向傳輸特性[24-25]、聲隱身[26-28]等。

1.2 帶隙的形成：布拉格機理和局域共振機理

聲波(統稱彈性波)與人工周期彈性復合材料相互作用，在特定頻率沒有對應振動模式即存在聲禁帶，聲波傳播被抑制從而實現良好隔聲性能。Bragg散射機理和局域共振機理是兩種比較成熟的聲禁帶形成機理。產生Bragg散射聲禁帶的為Bragg聲子晶體，彈性波在周期排列的Bragg聲子晶體中傳播發生干涉，導致聲波無法通過發生阻斷形成聲禁帶。Bragg帶隙對應的角頻率與πc/a同階，c是空氣中聲速，a是結構晶格周期，聲禁帶對應的彈性波波長為晶格常數兩倍或同數量級。另一種聲禁帶形成機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傳播，產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應的波長遠大于單元晶格常數，可在低頻段形成帶隙，且當晶格單元非嚴格周期排列時仍存在禁帶。突破了質量定律和Bragg散射聲子晶體諸多限制，實現“小尺寸控制大波長”，為低頻隔聲實際應用開創了新局面[30]。

兩種機理形成的禁帶均是由晶體結構周期性和單個散射體Mie散射的共同作用，Bragg聲子晶體強調結構周期性，晶格周期排列方式、散射體尺寸形狀及介質材料搭配均是帶隙設計關鍵因素；局域共振機理由單個散射體自身固有振動特性主導，單個散射體共振結構與散射體在基體內分布特性是設計關鍵。

聲學超構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為是第一種聲學超構材料。聲子晶體側重聲波傳播過程分析，而聲學超構材料與構成基材相關性低，更關注結構等效參數特性，且易實現多物理場耦合。聲學超構材料單元空間尺度遠小于基體波長，在長波假設下認為超構材料是均勻有效介質。

2 Helmholtz共鳴器式隔聲超構材料

Helmholtz共鳴器是一種最基本的聲共振系統，1850年由赫爾曼·馮·亥姆霍茲設計并命名，典型的Helmholtz共鳴器由剛性壁包圍的空腔和腔上一個很窄的頸部組成。頸部中流體介質近似視為質量，腔中可壓縮流體介質視為彈簧，可被認為是一個彈簧-質量系統[31]。聲波進入共鳴腔頸部，空腔內空氣被壓縮。當聲波達到Helmholtz共鳴器共振頻率，腔內被壓縮空氣抵抗傳入聲波(相當于彈簧質量系統中彈簧位移)，入射聲壓被放大，腔內聲壓達到峰值，實現負的等效體積模量系統動態響應。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共鳴器頸部有效長度。

此外，還可以計算有效體積模量，即頸部中壓降與空腔內體積變化之比:

(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為外界聲的激勵角頻率；i為虛數單位；Γ為耗散損耗因子。

在過去的二十年中，Helmholtz共鳴器的概念已經被廣泛應用到聲學超材料的發展之中。2006年，Fang等[13]提出了一維亞波長Helmholtz共鳴器的聲學超構材料，觀察到發生局域共振時等效彈性模量為負，并根據等效介質理論計算了能帶結構和透射系數。

Helmholtz共鳴器利用空氣的振動特性，在低頻和輕質化設計方面具有良好的優勢。到目前為止，Helmholtz共鳴器式隔聲超構材料在工程領域得到了廣泛的應用。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計。Nguyen等[32]設計了一個亞波長消聲器，采用緊湊組裝的狹縫型Helmholtz共鳴器結構，同時實現低頻寬帶隔音和通風，如圖1(a)所示。數值研究和實驗表明，在0.48～0.95 kHz目標工作頻帶上，傳輸損耗整體超過30 dB，最大隔聲性能超過50 dB。此外，該設計可實現恒定橫截面的直氣流通道，在管道環境中仍可保持良好通風性能。Kim等[33]提出了一種氣流通暢的隔音窗，它由一個三維強衍射型諧振器陣列組成，每個諧振器上都有許多開孔，如圖1(b)所示。諧振器的負等效體積模量產生膨脹波，同時窗口表面亞波長氣孔可進行通風，并通過實驗證明該隔音窗結構低頻段隔聲的有效性。Liu等[34]研究了超構材料型海水管道系統聲波傳輸特性，超構材料管由周期性空氣水室Helmholtz共鳴器軸向排列而成，可在低頻范圍內產生寬帶隙，使低頻聲波在管道系統傳播受到抑制。Theocharis等[35]研究了周期性排列的Helmholtz諧振器的充氣管結構，如圖1(c)所示。考慮固有粘熱損失，采用布拉格間隙調整諧振器，研究了周期性局部共振結構中慢聲波傳播的極限和各種特征，該研究可應用在慢聲波濾波、寬帶衰減和二維三維結構中非線性過程的增強。

上述研究將若干個Helmholtz共鳴器組合或周期性排列設計，顯著地拓寬了傳統Helmholtz共鳴器的工作隔聲頻帶。想要進一步降低隔聲頻帶范圍，可以通過設計Helmholtz共鳴器的大體積空腔、長脖頸結構，但這顯然不利于結構設計的小型化。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]將聲學亞波長超表面層引進Helmholtz共鳴器設計，研究了隔聲能力隨相位梯度的變化，結果表明在不顯著增大Helmholtz共鳴器尺寸的情況下，引進聲學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型可調隔音屏障，超構材料單元由一個方形結構和其中央通風孔內壁上帶有兩個方形頸部的Helmholtz腔組成，如圖1(d)所示。實驗結果表明，該設計在中低頻范圍內能顯著實現窄帶噪聲衰減，同時保持45%的空氣循環通風面積。

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

3 薄膜薄板式隔聲超構材料

薄膜型聲學超構材料由張緊并固定在腹膜環的薄膜和固定在薄膜上的質量塊組成[38]。薄膜薄板聲學超構材料工作機理是利用薄膜薄板小彎曲剛度特性，在低頻聲波激勵下彎曲共振并與入射波耦合，增加共振模式提高超構材料內部低頻聲波的能量密度，達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等效質量密度的薄膜型聲學超構材料。Sui等[40]設計了一種蜂窩型聲學超構材料，該結構在低頻率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，以蜂窩超構材料為核心材料的夾層板在低頻率下聲學傳輸損耗始終大于50 dB。

通過采用不同的材料填充到兩個膜間的空間或通過框架支撐薄膜，均可提高薄膜型聲學超構材料的隔聲性能。Wang等[41]利用層狀聲學超構材料在聲學自由場中同時實現聲學完美吸收和寬帶絕緣的機制。通過耦合兩個填充多孔材料聲學超構材料組成的層狀膜型聲學超構材料，將上層聲學超構材料的諧振頻率調為與下層聲學超構材料反共振頻率相同。在臨界頻率聲波激發下，層狀聲超構材料可以有效地將聲能集中到兩種耦合的膜型超構材料之間的區域，通過填充多孔材料將聲能轉化為熱能。該超構材料結構優異的性能源于雙零等效參數的實現，即零等效質量密度和零等效體積模量。實驗測得在200～1 000 Hz頻率范圍內能實現大于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超構材料，超構材料單元使用一根長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]。該結構的聲傳輸損耗可在140 Hz達到26 dB的峰值，通過有限元模擬計算了單元平均法向位移、等效面密度和有效動態質量，并闡明了該聲學超構材料的隔聲機理。

之前的研究中，質量塊通常布置在薄膜型隔聲超構材料的中心。通過合理布置薄膜型隔聲超構材料面板上的質量塊，可以進一步提高薄膜型超構材料的隔聲特性。Lu等[43]對膜型聲學超構材料與偏心質量的聲-結構耦合進行模擬，并通過優化結構參數(如厚度、質量、形狀、分裂數、分裂間隙大小和分裂環質量大小)提高隔聲性能。添加到膜上的質量塊可改變膜表面密度和限制膜位移，從而誘導新反共振模式。研究表明，在小于300 Hz低頻范圍內，外半徑為60 mm，內半徑為50 mm的4裂環確定為最佳質量配置，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，結果表明，在低頻范圍內該結構出現了明顯的聲傳輸損耗峰(38 dB)。通過合理布置超構材料面板上的質量，實現了基于多單元協同耦合的寬帶隔音目標，在300～900 Hz的范圍內，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材料 (a)蜂窩狀聲學超構材料[40];(b)分層膜型超構材料[41];(c)受膜約束的聲學超構材料[42];(d)大型耦合板式聲學超構材料面板[44]

與附著有質量塊的薄膜型隔聲超構材料相比，沒有質量塊的薄膜薄板型隔聲超構材料在一定程度上可以展現出更佳的隔聲性能。Li等[45]提出了一種無質量附著的多層蜂窩膜型聲學超構材料，通過改變細胞數、膜層數、膜厚度、蜂窩芯厚度和膜的材料調節聲傳輸損耗幅值。研究表明，在超構材料每單元面積質量只有0.29 kg/m2、結構總厚度為4.2 mm的情況下，平均傳聲損失達到17 dB。Ang等[46]提出了一種大表面(0.8 m×0.8 m)膜型聲學超構材料，可在低頻寬帶內實現良好的隔聲效果。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致。Jung等[47]設計了一個聲學超構材料面板，該面板上以陣列形式分布了一系列開有環形腔的孔，在保證流體通暢的同時，降低可聽頻率范圍內的噪聲。Gao等[48]設計了一種低面密度蜂窩硅橡膠聲學超構材料，蜂窩鋁的加入降低了整體結構的張力，使得薄膜的振動接近薄板。實驗表明，該聲學超構材料聲傳輸損耗大大高于單層硅橡膠超構材料，蜂窩結構邊長和單元結構厚度會影響阻尼控制區的聲傳輸損耗。

薄膜薄板式隔聲超構材料的優點是結構小型輕質，且能在低頻段形成帶隙，即可以抑制低頻段彈性波的傳播，實現良好低頻隔聲效果。在工程實際中，可以利用薄膜和薄板的輕質特性，設計輕質降噪面板來降低低頻噪聲，尤其可以應用在對質量要求較高的航空航天和汽車制造工業領域中。但薄板式聲學超構材料的缺點在于本身結構太薄且剛度不足，難以承受工程實際中所需的重量。大多薄膜隔聲超構材料的性能對膜上施加的張力非常敏感，而張力很難在長時間進行控制和保持，可能會隨著時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用。

4 折疊卷曲空間式隔聲超構材料

Helmholtz式隔聲超構材料的研究取得了巨大的進展，但又有結構復雜、體積大、隔聲帶隙窄等缺點。而薄膜薄板式隔聲超構材料則存在壽命短、容易變形、隔聲性能不穩定等局限性。為了克服這些缺點，學者們把螺旋形、迷宮式、彎曲形和折疊鏈形等結構引入隔聲超構材料中，設計了折疊卷曲空間式隔聲超構材料結構[49]。折疊卷曲空間式超構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，有效降低聲速并導致聲能量衰減；另一方面由于聲波進入結構沿盤繞或折疊路徑傳播，傳播路徑比結構的外在物理尺寸長得多，延長傳播時間的同時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材料的缺點。折疊卷曲空間式聲學超構材料已在很多工程場合中應用，如聲波導和聲透鏡等。

Yu等[50]研究了周期性亞波長聲學超構材料光柵的聲能傳輸，亞波長單元周期地排列在單層光柵上，如圖3(a)所示。在設計頻率范圍內，低頻段傳輸損耗可達到40 dB。亞波長單元幾何形狀、光柵元素周期性和入射角都對傳輸損耗有顯著影響。Zhao等[51]提出了一種寬帶隔聲分形結構的聲學超構材料，如圖3(b)所示。該結構在反共振頻率附近具有較高的反射系數，可獲得較高的聲傳輸損耗，具有通風性好、厚度小等優點。Yang等[52]提出了一種可用于低頻聲能衰減的多孔聲學超構材料面板。該結構包括兩個間隔適當距離的薄板，薄板中間各自有一個方形通孔，并在兩空心薄板之間插入亞波長剛性隔板，剛性隔板有“四分之一模型”和“半模型”兩種形式。傳播至超構材料薄板中心孔時，聲波進入L形亞波長縫隙使得傳播速度降低達到了隔音效果，如圖3(c)所示。實驗研究表明，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。該設計可使聲波在亞波長單元以2π的相位延遲進行傳播，產生較高的聲傳輸損耗。

圖3 折疊卷曲空間式隔聲超構材料 (a)周期性光柵結構聲學超構材料[50]；(b)分形結構聲學超構材料[51]；(c)慢波超構材料面板[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材料也可以獲得優異的隔聲性能。Cheng等[17]利用Mie共振性質，設計了一種二維亞波長高反射超稀疏表面，如圖3(d)所示。該結構僅有0.15個波長的厚度，面密度填充比僅為15%，低頻聲波插入損失最高超過93.4%。借助特征態分析和等效參數反演表明，一個超構材料單元內存在兩個獨立負帶，其中一個是由單級共振產生的負體積模量能帶，另一個是由偶極共振引起的負質量密度能帶。Chaffarivardavagh等[53]提出了一種類似Fano干涉的亞波長開放超構材料，該設計由外圍螺旋環繞結構和中心通孔兩部分組成，高效衰減流致噪聲的同時保持良好的通風性。中心開放區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。實驗表明，在小于460 Hz的低頻段可降低高達94%的透射聲能。Sun等[54]設計了一種平面輪廓型亞波長厚度的通風屏障，該結構由一個中央空心孔和兩個不同間距的周向螺旋通道組成，結構厚度僅為50 mm(約為波長的八分之一)。該結構在900～1 418 Hz頻率范圍內有效阻擋90%的入射聲能，并且可通過調節螺距來調整隔聲頻帶范圍。Maurya等[55]提出了一種3D迷宮式空間盤繞型聲學超構材料結構，顯示出雙負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材料，并且系統研究了分形層次對空間卷曲能帶結構和波傳播行為的影響，結果表明，隨著分形層次的增加，總帶隙寬度逐漸增加，并產生多帶隙，而最低帶隙也會轉移到較低的頻率范圍內。此外，具有分形卷曲空間的三階分形結構對不規則排列(包括水平位移、垂直位移和旋轉平移)表現出良好的魯棒性。折疊卷曲空間式能表現出較高的負折射率和頻率色散現象，且通過改變幾何特征參數，可將帶隙位置和寬度調整到所需頻帶內。但這種結構對制造要求很高，導致制造成本昂貴。

5 組合式隔聲超構材料

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材料，這些隔聲結構可以良好實現隔聲材料的小型化、輕量化和輕薄化，并在低頻段達到良好隔聲效果，但分別又有隔聲頻帶窄、剛度不足、設計制造困難、成本昂貴等缺點。針對上述缺點，研究人員嘗試將上述結構組合在一起獲得更佳的隔聲性能。

結合Helmholtz共鳴器式和卷曲空間式隔聲超構材料，Wang等[57]研究了一種具有卷曲隔板的側支腔，當隔板逐漸延伸到空腔中，卷曲路徑被拉長形成空間卷曲諧振器，如圖4(a)所示。事實上，這一空間卷曲諧振器將傳統的Helmholtz諧振器和四分之一波長管連接起來，通過擴展分區，聲傳播有效空間被拉長，工作波長可達到原始空腔邊長的大約26倍，導致基頻共振頻率移動到較低的值，揭示了通過一個小單元對低頻聲波的操縱能力。

同時，也有研究人員將Helmholtz共鳴器和薄膜薄板結構隔聲超構材料結合在一起，獲得了更優的隔聲性能。Zhang等[58]設計了由Helmholtz共鳴器和內置裝飾膜組成的聲學超構材料，同時具有隔聲和能量收集功能，如圖4(b)所示。理論和實驗證明，所提出的超構材料可獲得兩個隔聲帶，收集的聲能也在同頻率下有效獲得。入射聲壓為1 Pa時輸出功率峰值可達244 nW，比之前報道的具有相同輸入的單膜結構高出大約14倍。此外，選取適當的參數可在更寬頻率范圍內(帶寬可達90 Hz)實現平均輸出功率約為20 nW的大量能量收集，該結構可用于噪聲控制和能量收集等許多潛在應用。Zhang等[59]報道了一種在不同頻率范圍可調諧的聲波傳輸耦合結構，如圖4(c)所示。該結構由一個柔性Helmholtz共鳴器和一個波導組成，可激發出三種主要耦合模式，并產生帶阻濾波器效應。通過改變電磁力改變膜張力調節耦合振動狀態，實現可調諧的濾波器效應。Yamamoto[60]提出了一種新型聲學超構材料板，該板周期性間隔地嵌入Helmholtz共鳴器。與傳統平板相比，該超構材料板在Helmholtz共鳴器諧振頻率下表現出優異的隔聲性能。在共振頻率下，超構材料板動態密度比同質量傳統固體平板大得多，并通過嵌入多個不同共振頻率的諧振器加寬隔聲頻帶。

在另一項研究中，Ang等[61]提出了一種無張力膜的概念驗證設計，如圖4(d)所示。該板式聲學超構材料除膜本身共振特性外，通過一個孔口結構的耦合補充兩個封閉空腔之間的聲耦合效應，提高材料的隔聲性能。孔口直徑可作為選定頻率下傳輸損耗的調節參數。這一設計可以解決典型膜型聲學超構材料工業應用中的缺陷，如膜的耐久性不足、應力松弛和板的空間一致性等問題。

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

綜上所述，基于各自結構特性和對聲波的響應特性，隔聲超構材料被分為四類：Helmholtz共鳴器式、薄膜薄板式、折疊卷曲空間式和組合結構式，四種隔聲超構材料的隔聲性能優缺點匯總于表1。

表1 各類隔聲超構材料對比

6 結語與展望

近20年，聲學超構材料的基礎研究累積了豐富的成果，特別是在低頻寬帶隔聲領域顯示出非凡的應用潛力。本文闡明了不同類型聲學超構材料的隔聲機理，重點介紹了不同形式隔聲超構材料的原理、結構、功能和應用場景。聲學超構材料在兼顧小尺寸和輕量化的前提下，可實現對亞波長噪聲的有效隔離，在一定程度上解決了低頻隔聲問題。

目前，聲學超構材料隔聲領域發展迅速，但挑戰依然存在，蘊含著廣闊的研究空間。例如，在設計層面，目前的算法技術已經能夠對隔聲超構材料的隔聲性能進行比較精準的模擬仿真。在此基礎上，未來可以結合人工智能算法新技術，如拓撲優化和機器學習，進一步突破傳統設計方法的限制，有效控制材料特性，縮短設計周期，提高設計質量。預計該技術會成為隔聲超構材料從概念驗證到具有特定隔聲功能應用領域過渡的一個關鍵組成部分。在制造層面，實驗室設計的隔聲超構材料的亞波長結構難以投放工業大批量生產，迫切需要開發適用于隔聲超構材料的專門生產方法。最近，3D打印技術的快速發展為聲學超構材料的制造提供了新的機遇，該技術最大優勢在于可制造各種材料和尺寸范圍的復雜結構。但該制造技術依然存在局限性，需要開發出更先進的制造方法。此外，為了提高隔聲超構材料在寬頻范圍內的隔聲效果，往往采取組合的方式，但這會損失結構的緊湊性。因此，為了在一定程度上保證隔聲寬頻帶和結構緊湊性，未來制造隔聲超構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。通過外部實施主動刺激調控隔聲超構材料的聲學參數與共振特性，將帶隙調整到所需頻段范圍內并獲得更優隔聲性能，這將成為未來很有潛力的一個發展方向。隔聲超構材料若能結合多個學科領域綜合發展，不斷突破生產中碰到的瓶頸，將有望做到產業化和工程化，在國防、軍事和民生領域體現出更多應用價值。