综述：声学超材料在大规模交通轻量化噪声控制中的应用与挑战综述

《Materials & Design》：A comprehensive review of acoustic metamaterials: Applications and challenges for lightweight noise control in large-scale transportation

本综述系统梳理了声学超材料（AMs）在飞机、高铁、船舶等大型交通工具轻量化噪声控制中的最新进展。文章聚焦于局部共振（LRM）、薄膜型（MAM）、亥姆霍兹共振腔（HR）和空间卷曲结构等四类AMs及其复合结构，深入分析了其打破质量定律、实现低频宽带控制的机理，并探讨了自适应与多功能AMs等新兴方向。针对实际工程中面临的严格空间与重量限制，本文为下一代交通噪声控制技术的研发提供了重要参考。

　　

随着飞机、高速列车和船舶等大型交通工具向更高速度和更轻重量发展，其振动和噪声问题日益突出。更高的速度导致更强的噪声和振动源，而更轻的重量则意味着更弱的隔声和减振能力，这对振动和噪声控制提出了严峻挑战。传统材料的噪声控制效果通常与其重量或厚度呈正相关，这与大型交通工具的轻量化要求相悖。声学超材料（Acoustic Metamaterials, AMs）作为一种人工设计的结构或材料单元，通过特定的几何构型、排列和材料组合来精确控制和操纵声波，为突破传统材料的重量和厚度限制、实现轻量化低频噪声控制提供了新思路。

大型交通工具的轻量化、振动与噪声控制挑战

大型交通工具如飞机、高速列车和船舶的舱内噪声均表现出显著的低频宽带特性。飞机舱内噪声在极端飞行条件下经常超过85 dB(A)，主要频率集中在50–400 Hz。高速列车在以300 km/h运行时，舱内噪声声压级（Sound Pressure Level, SPL）主要分布在72–79 dB(A)范围内，关键频率为125–1600 Hz。船舶舱内噪声水平相对较低，在37至56 km/h航速下为35–80 dB(A)，但噪声也集中在31.5–1000 Hz的低频段。这些交通工具共同面临着高噪声水平、有限的减振降噪空间以及日益严格的轻量化要求三大挑战。

声学超材料的研究进展

根据结构特性，声学超材料主要可分为四大类：固体局部共振超材料（Solid Locally Resonant Metamaterials, LRMs）、薄膜型声学超材料（Membrane-type Acoustic Metamaterials, MAMs）、亥姆霍兹共振腔结构（Helmholtz Resonance Cavity Structures）和空间卷曲超材料（Space-coiling Metamaterials）。考虑到不同结构间的耦合机制，复合结构被总结为第五类。此外，自适应和多功能声学超材料作为新兴方向也备受关注。

固体局部共振超材料（LRMs）

LRMs通常由亚波长单元细胞的周期性阵列组成，每个单元包含质量块和弹性元件等共振元件。当外部波与LRM相互作用时，共振元件会表现出异常的动力学行为，产生带隙（Bandgap），即抑制波传播的频率区域。其共振频率ω₀可表示为ω₀ = √(k/m₂)，其中k为刚度，m₂为共振单元质量。通过调整共振器的质量、刚度、阻尼和阵列布局，可以有效地针对所需频率范围吸收或反射入射波。为了在降低目标频率的同时减少附加质量，研究人员提出了惯性放大超材料（Inertial Amplification Metamaterials, IAMs），利用惯性放大机制以更小的附加质量实现低频带隙。LRMs的设计方向正从早期带有大质量的“硬-软-硬”材料构型转向基于惯性放大机制的轻量化结构，并越来越注重扩大有效带宽、应对日益复杂的使用环境以及结合多目标优化技术。

薄膜型声学超材料（MAMs）

MAMs利用张紧的弹性膜和附加质量块的异相共振，产生有效的负动态质量，从而在特定频带内形成显著的低频隔声峰。典型的MAMs由中心附着质量块的张紧薄膜构成，其有效动态质量密度D_eff在平均法向位移趋于零时趋于无穷大，强烈阻碍声波传输。通过改变质量块的尺寸、分布（对称或偏心）以及膜的预应力，可以调节MAMs的隔声峰值频率和带宽。为了拓宽隔声带宽，研究人员设计了双层MAMs、引入缺陷态以及结合主动控制策略。MAMs具有超薄、超轻的特点，能在毫米级厚度下实现突出的低频隔声性能，但其性能通常呈窄带特性，且聚合物膜存在应力松弛问题。

亥姆霍兹共振腔结构

亥姆霍兹共振器通常由一个小的颈部（或孔径）连接到一个大的封闭空腔构成。其共振频率f_r由f_r = c/(2π) * √(S_N/(V(l_N + δ)))给出，其中c为声速，S_N为颈部截面积，V为空腔体积，l_N为颈部物理长度，δ为末端修正量。当入射声波频率接近共振频率时，系统会捕获和耗散声能。微穿孔板（Micro-perforated Panel, MPP）是亥姆霍兹共振器的典型应用。为了降低共振吸收峰值频率，研究人员对穿孔和空腔内部进行了结构设计，如使用渐变穿孔多孔材料、螺旋穿孔通道、波浪形弯曲颈部等。为了拓宽吸声带宽，通常采用不同结构尺寸的共振腔串联或并联排列，形成阵列或多阶结构，如嵌套亥姆霍兹共振器、多层亥姆霍兹共振超材料等。

空间卷曲超材料

空间卷曲超材料通过创建迷宫状或卷曲的几何结构，迫使声波在紧凑的物理空间内传播更长的距离，从而人工增加有效波数，诱导亚波长共振，实现低频控制。其工作原理类似于法布里-珀罗（Fabry–Pérot, FP）共振，共振频率f_m由f_m = (2m - 1)c/(4L)决定，其中L是由卷曲结构决定的有效声学路径长度。通过增加卷曲路径长度L而不扩大物理尺寸，可以显著降低共振频率。结构设计包括传统的迷宫式结构、基于分形几何的设计（如希尔伯特分形、门格海绵分形）以及用于吸声的卷曲通道与MPP结合的结构。这些设计能在有限空间内实现优异的低频吸声性能。

复合结构

复合声学超材料通过整合多种类型的超材料结构，结合振动-声耦合（Vibro–acoustic coupling）和声-声耦合（Acoustic–acoustic coupling）机制，能够有效吸收和衰减更宽频率范围的声波，特别是在低频段。例如，将LRMs与亥姆霍兹共振腔结合，可以在局部共振结构带隙和亥姆霍兹共振腔声学带隙的重叠频带内同时实现隔振和隔声。将MPP与空间卷曲结构结合，可以利用卷曲通道延长声波路径并引入粘热损耗，实现深亚波长厚度下的低频宽带吸声。复合结构在复杂应用场景中能同时应对多个噪声源的干扰，提升噪声控制系统的适应性和整体效能。

其他新兴声学超材料

自适应声学超材料（Adaptive Acoustic Metamaterials）通过压电材料、形状可重构结构或外部场（如磁场）等机制动态调整其声学特性，实现了带隙、共振频率和波传播特性的主动调谐。多功能声学超材料（Multifunctional Acoustic Metamaterials）则将声学功能（吸声、隔声、减振）与额外的结构或环境属性（如承载能力、热管理）集成在一个统一的结构系统中，实现了高水平的功能集成。

声学超材料在大型交通工具中的应用

在飞机上，声学超材料可用于机身侧壁板、舱内衬里、发动机短舱等部位，以增强低频隔声性能。在高速列车中，超材料可应用于地板、侧壁、顶板以及声屏障，针对轮轨噪声、气动噪声进行控制。在船舶领域，超材料浮筏、舱壁衬里、通风消声器等结构可用于抑制主机等机械设备的低频振动和噪声。每种超材料类型因其特性在不同交通工具中有其适用的场景，选择时需综合考虑结构厚度、面密度限制以及目标噪声环境的频谱特性。

总结与展望

尽管声学超材料在轻量化低频噪声控制方面展现出显著优势和广阔应用前景，但其在大规模工程中的有效应用仍面临挑战。未来的研究需要着重于：满足工程结构在机械强度、安全性和耐久性方面的严格要求，并具备工业化大规模生产的潜力；开发集吸声、隔声、减振机制于一体的多功能集成声学超材料，以应对复杂的激励和服务环境；利用人工智能、机器学习等先进技术优化超材料设计，实现自适应、自优化的噪声控制系统，为实际应用提供定制化的噪声控制解决方案。这些创新有望显著增强超材料在大型交通工具噪声控制中的实用性和效率。