聲隱身超材料發展綜述

許偉龍，彭偉才，張俊杰，何雪松

1 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430064

0 引 言

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

水下聲隱身技術是指為了降低設備的輻射噪聲和聲目標強度，所采取的一系列技術措施。聲隱身技術不僅可以減少被敵方發現的距離和降低被敵方發現的幾率，同時還可以提高探測敵方的能力。降低設備的水下輻射噪聲是目前最主要的技術手段［2-4］。

然而，目前的減振降噪技術在降低水下航行器低頻聲信號特征方面很難取得優良的效果，而聲學覆蓋層對低頻目標強度的降低又非常有限。隨著電子信息、新材料等技術的發展，聲吶技術已逐步實現低頻、大功率、大基陣等特點［5-6］。目前，主流主動聲吶的工作頻率一般為1.5～3.5 kHz，被動聲吶為0.1～1.5 kHz。美國自20 世紀80 年代開始研制用于探測低噪聲、安靜型潛艇的低頻主、被動拖線陣聲吶。這是一種專門用于遠程警戒低噪聲、安靜型潛艇的甚低頻聲吶，其工作頻率可以低至100 Hz 以下，主動發射聲功率可超過230 dB，被動檢測時作用距離可達100 km 以上［7-8］。

研究表明，利用聲學超材料的低頻帶隙特性和超常物理特性，可以實現超強的低頻吸隔聲、減隔振等性能，這為其在水下聲隱身領域的應用奠定了理論基礎，國內外正在進行大量的應用探索研究。

本文將針對聲學超材料的物理特性，分析聲學超材料在低頻吸隔聲、減隔振以及聲目標強度控制這3 個方面的研究現狀，并對聲學超材料應用于水下航行器的聲隱身技術進行展望。

1 應用前景分析

由機械振動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械設備噪聲一般有2 個途徑：減振/隔振和吸聲/隔聲。減振/隔振是將機械設備安裝在浮筏隔振系統上，通過機械絕緣和減振的方法來減小機械振動。近年來，浮筏技術得到應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、外表面敷設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，傳統的隔聲材料服從質量密度定律——重量較大，低頻效果很差，很難滿足實際需要。傳統的吸聲措施主要采用多孔材料，其在低頻段吸聲系數較低，需要很大的厚度才能提高低頻段的吸聲系數。

為了降低航行器的聲目標強度，減少主動聲吶的反射，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。可見材料和結構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合材料開始成為人們關注的焦點。

聲學超材料概念最初是由Liu 等［9-10］在研究局部共振聲學材料時提出的，其設計了一種基于局域共振機理的新型材料，并從理論和實驗上證明了材料的負有效模量：材料晶格尺寸遠小于其聲子晶體禁帶所對應的波長，突破了布拉格散射機理的限制，成功實現了小尺寸結構對大波長（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

聲學超材料是在聲子晶體研究的基礎上提出的一種新概念，是由不同的彈性模量和質量密度材料構成的周期性人工復合結構，具有負的等效彈性模量或負的等效質量密度。當聲波或彈性波在其中傳播時，能呈現出傳統材料所沒有的性質，如負折射及平面聚焦、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或幾個數量級，因此能夠實現小尺寸對大波長的控制［11-12］。

通過對超材料的材料組成和結構進行人工設計實現對聲波的調諧，為低頻水下聲隱身帶來了希望。

2 聲學超材料在減隔振方面的研究進展

現有理論及實驗研究已證實，利用超材料中的低頻局域共振帶隙，可以有效抑制結構中的低頻彈性波傳播，衰減結構低頻振動響應與傳遞，進而實現對結構低頻聲透射、聲輻射的高效控制［13-15］。在工程結構減振設計中，通過在不同支撐結構上周期性地附加局域共振單元，構建了一類具有低頻局域共振帶隙的局域共振型結構，這種結構有望用于水下航行器設備的結構減隔振。

支撐結構主要包括桿狀結構以及板類結構等。桿狀結構聲學超材料的設計一般采用2 種方式：一是不同材料沿軸向周期性排列結構；二是附加局域共振單元在連續梁上周期性布置。針對軸系、齒輪傳動等結構中的低頻減振需求，目前正在開展桿的軸向拉壓和扭轉振動帶隙、梁的彎曲和彎扭組合振動帶隙等方面的研究［16］。

周期性桿狀結構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，分別分析了結構彎曲和扭轉振動的傳輸與衰減特性。郁殿龍等［18-20］對由鋁和環氧樹脂這2 種材料交替排布的一維桿狀聲子晶體中的表面局域態進行了研究，結果表明這2 種材料按不同的排列順序排布對減振效果影響較大。當滿足表面局域態存在的條件時，在振動帶隙內會出現共振峰，共振峰內減振可達20 dB 以上。圖2 所示為一種局域共振型梁結構示意圖［21］。圖中：a 為相鄰結構單元相隔的距離；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為共振單元質量；m0為主梁質量；kr為彈簧的彈性系數。

圖2 一種局域共振型梁結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of a locally resonant beam structure

板類結構聲學超材料的設計一般是將孔、柱或者諧振腔等微結構周期性地布置在板上，這樣可以抑制板的振動，從而實現降低外部聲激勵在板類結構上傳播的目的［22-24］。該類超材料將有助于降低設備殼體低頻振動噪聲的產生和傳播。

2005 年，王剛［25］率先對一種由板上周期性附加柱狀共振單元構成的聲學超材料板的彎曲波傳播特性進行了研究，并在實驗中證明，該種結構存在彎曲波帶隙，在帶隙范圍內，基體板的彎曲振動傳遞會被明顯衰減。2011 年，Oudich 等［26］對構型相同的聲學超材料板結構展開實驗研究，驗證了該結構的Lamb 波完全帶隙特性，并指出聲學超材料板在減振降噪方面具有潛在的應用前景。2014年，Xiao 等［27］設計、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構，理論和實驗研究均表明，這種結構具有低頻彎曲波帶隙和低頻彎曲振動衰減特性，如圖3 所示，這為結構低頻減振降噪設計提供了新的原理和方法。

圖3 一種局域共振型板結構示意圖以及減振特性測試結果Fig.3 Schematic diagram of a locally resonant beam plate structure and the test results of vibration absorption characteristic

Asiri［28］和Szefi［29］分別對由彈性元件和剛性元件組成的桿狀及層狀周期結構的振動帶隙予以了研究，結果顯示其可有效隔離直升機齒輪箱的振動傳播。文中，作者還利用Ritz近似方法對層狀周期結構隔振器進行建模，準確預測出了和實驗結果一致的帶隙。為降低周期結構帶隙的起始頻率，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和材料參數的周期性方式針對汽車減振用周期性隔振器進行了研究，結果顯示，理論計算與實驗結果吻合較好，測試結果如圖4（b）所示。

本節分析了聲學超材料在減隔振方面的研究進展，介紹了各類周期結構超材料的減隔振特性。通過把水下航行體結構設計成超材料，設備結構可具備減振功能；而把超材料隔振元器件用于設備隔振，可以有效阻隔振動傳播，提高水下設備的減隔振能力。

圖4 一種層狀周期結構隔振器示意圖及減振特性測試結果Fig.4 Schematic diagram of a laminated periodic structure vibration isolator and the test results of vibration absorption characteristic

當前，水下航行體的所有機械設備都通過隔振器安裝在浮筏上，由于機械設備激勵源的頻率不穩定，因此需要對激勵頻率波動不敏感且具備低頻段寬頻帶特點的隔振器。雖然現有周期結構的超材料已經能夠在較低頻率上發揮減隔振的作用，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，水下航行體所需的隔振系統相當復雜，包括機械設備、上層隔振器、浮筏、下層隔振器、基座-船體結構和船外流場等，需要解決柔性復雜隔振系統的振動傳遞和彈性耦合效應，以及水下復雜殼體的振動聲輻射及流固耦合效應等科學問題。因此，還需要針對水下航行體內的振動源特性以及振動傳遞特性，從超材料的減隔振機理出發，設計優化具有低頻段帶隙的聲學超材料隔振器。

3 聲學超材料在吸隔聲方面的研究進展

經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到充分的吸聲性能效果，但當頻率較低時，所需吸聲材料的尺寸會非常大［30］。而聲學超材料的能量密度則可以達到一個很高的水平。在低頻范圍內，其吸收系數的變化幅度較小，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的空氣噪聲和管路流體噪聲。目前，吸隔聲方面的聲學超材料有薄膜型、Helmholtz共振腔型和聲學超表面等。

薄膜型聲學超材料的設計一般是在薄膜單元上布置質量塊。在薄膜單元的張力和不同大小質量塊的作用下，在低頻段會形成一個帶隙。若將多個薄膜單元疊加在一起，不同單元可控制不同的帶隙，從而實現各頻段的吸聲［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，設計出了一種“暗”聲學薄膜型超材料，如圖5 所示。由于結構的多重共振，在多個共振頻率附近，彎曲波能量均被結構所吸收。實驗測試結果表明，這種輕質薄膜型聲學超材料在100 Hz～1 kHz 的低頻范圍內具有高效的吸聲能力。

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

2006 年，Fang 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，其通過在波導管的一端用聲源作為激勵信號，激發Helmholtz 共振器短管處的流體運動，當激勵信號的頻率接近Helmholtz 共振器的共振頻率時，即可實現負等效模量。負等效模量的產生是由于Helmholtz 共振器短管處聲波運動與外界提供聲波的聲壓場反相所導致，類似于負等效質量密度，可以有效衰減聲波。圖6 所示為由Helmholtz 共振器組成的聲學超材料示意圖以及等效模量（Eeff）計算值。圖中，Re（E）為等效模量的實部值，Im（E）為等效模量的虛部值。

圖6 Helmholtz 共振器組成的板結構超材料及等效模量計算值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，制備出了具有負彈性模量的聲學材料，如圖7（a）所示，并進行了數值計算與聲透射實驗，結果顯示制備出的材料相對于單獨的海綿基體和單獨的聚乙烯圓球，吸聲性能得到了提高，在5 kHz 附近出現了強烈的吸收峰，測試結果如圖7（b）所示。同時，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為整個材料厚度）、排列方式（其中a1為兩個SHS 圓心的距離）和數目變化，以及空腔中充滿空氣或水時對透射性質的影響，發現通過調節幾何尺寸，可以調整聲學超材料的透射系數。

圖7 海綿中埋入SHS的聲學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

聲學超表面是由多種微結構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、結構復雜、成本高、損耗大等固有局限性，其輕薄化的特性使得利用現有技術更加容易制備［38-39］。超表面可通過對介質的阻抗匹配實現對低頻聲波的全吸收，為控制水下設備的低頻線譜噪聲提供了新的方法。聲學超表面技術還能通過調制入射波相位實現對反射聲波的調控，此技術有望實現對水下設備通海管道流噪聲的控制。

Ma 等［40］設計了一種薄膜型聲學超表面，其阻抗可與空氣聲阻抗相匹配，聲波在表面處全部耗散，成功實現了對低頻聲波的全吸收。實驗結果顯示，一層厚度僅17 mm 的結構就可以對152 Hz頻率的聲波實現高達99.4%的吸收率。Li 等［41］設計了一種基于迷宮結構的低頻全吸收聲學超表面，該超表面元胞由1 個迷宮和1 個穿孔蓋板構成，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。聲學超表面吸聲技術也可以從空氣聲學延伸至其他流體介質，從而應用于水聲等領域。

圖8 全吸收聲學超表面結構及其吸聲系數曲線Fig.8 Acoustic metasurface structure and its acoustic absorption coefficient curves

本節對薄膜型、Helmholtz 共振腔型、聲學超表面等吸隔聲方面的聲學超材料予以了列舉分析，考慮到空間重量約束，認為薄膜型以及聲學超表面的聲學材料可以用于設備隔聲罩，能有效控制水下航行器艙室內的空氣噪聲。但通過上述分析可知，目前薄膜型、Helmholtz 共振腔型聲學超材料具有體系體積大、結構復雜、成本高、損耗大等特點，暫不具備大規模應用的條件，而聲學超表面設計方案由于實現機理和結構的限制，一般只對特定的頻帶有效，不具寬帶適應性。因此，還需針對吸隔聲超材料結構的設計制造需求，探究滿足結構復雜性、材料多樣性的制造技術新工藝、新方法，以實現對超材料復雜結構高精度、高效率的制造，從而實現功能需求和制造技術以及成本的雙贏。

4 聲學超材料在聲目標強度控制方面的研究進展

通過在水下航行體殼體表面敷設消聲瓦，可以有效降低水下航行器的目標強度。目前，已有學者將聲學超材料思想引入水聲消聲瓦設計中［42-43］。當前，有望用于聲目標強度控制的聲學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行建模，證實了在低頻水聲吸聲應用領域的潛力。隨后，其又從Mie 散射的角度詳細分析了局域共振單元的低頻吸聲機理，指出單元在共振頻率附近能高效地將入射縱波轉換為橫波模態，進而增強聲波的吸收效率。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，以及其吸聲性能測試結果。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均高于0.8，遠優于傳統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

局域共振聲學超材料層在共振頻率處對聲散射有著顯著的抑制作用，這與傳統消聲瓦的作用機理存在較大區別。這一研究初步表明，利用聲學超材料思想設計新型消聲瓦，有望實現低頻、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。這種聲學超材料彈性剛度矩陣的6 個特征值中有5 個為0，在靜態情況下其只能承載壓縮形變，是具有“流體”性質的聲學超材料。五模式超材料具有各向異性彈性性質，可用于聲學隱身衣、超透鏡和超表面等，在聲波調控和聲隱身方面有著重要的潛在價值，受到國內外的廣泛關注。

在國內，Xiao等［46］針對五模式超材料進行了研究，并試制了五模式層狀圓環形聲斗篷，如圖10所示。

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

為了實現對小尺寸低頻聲波的調控，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理的五模式超材料，如圖11所示，該單胞構件采用中間為2 個圓臺相交重合、兩端為圓柱體的結構形式。圖中：D 為圓臺相交重合結構直徑；h′為圓臺長度；1和為兩端圓柱材料長；和為兩端圓柱直徑。研究結果表明，新型的五模式超材料的工作頻率降低了至少2 個數量級，可在100 Hz 以下頻段形成完全聲子禁帶。

本節分析了局域共振型聲學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計中可以有效提高消聲瓦應對主動聲吶的探測能力，能降低水下航行器的目標強度。

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超材料展現出了寬頻強吸聲的特性，但該材料仍存在一定的缺陷：由于要求的結構相對復雜，所以難以準確控制材料的周期性排列，難以實現產業化，而且在水壓下將破壞主體結構，對吸聲性能產生嚴重影響。而五模式超材料的研究仍然停留在理論研究階段，其樣機雖然在高頻段展示出了良好的性能，但在低頻段還無法實現寬頻吸聲的效果。

5 結論與展望

本文從減隔振、吸隔聲以及聲目標強度控制3 個方面分析了聲學超材料的特性以及其研究進展，結果表明，目前聲學超材料在降低水下噪聲和聲目標強度方面，表現要優于傳統材料。

根據不同類型聲學超材料的特性，將水下航行器的結構設計成支撐結構超材料，可使設備結構具備減振功能；把超材料隔振元器件用于設備隔振，可以有效阻隔振動傳播；薄膜型以及聲學超表面的聲學材料可以用于設備隔聲罩，能有效控制水下航行器艙室內的空氣噪聲；而將超材料加入消聲瓦設計中，則可以有效提高消聲瓦應對主動聲吶的探測能力，降低水下航行器的目標強度。聲學超材料的微結構形式多樣，其應用功能也不盡相同，可以通過精心設計一種材料或結構來發揮其功效，也可以通過材料和結構的組合來融合多種功能。

國內外學者經過10 余年的不斷探索，在聲學超材料特性研究方面取得了很大進展，已有研究初步驗證了聲學超材料應用于減振降噪和水下航行體聲學覆蓋層設計的可行性，不過，未來仍有大量的工作需要進一步深入研究拓展。當前的聲學超材料研究大多是孤立地考察其聲振特性，較少考慮復雜的邊界、載荷條件，以及實際工程應用中的尺寸、質量、環境等約束條件，因而未來的研究需進一步朝實際工程應用方面推進。

聲學超材料具備天然材料所沒有的超常物理特性，輕質、低頻、寬帶、小尺寸、強衰減依然是聲學超材料應用研究不斷追求的目標，未來仍需朝這一目標不斷發展，探索更多的新機制、新原理。隨著一些新的方法、理念以及3D 打印加工技術的出現，聲學超材料將得到進一步的發展，進而牽引新型聲隱身技術的發展。