综述：声学超材料：解决噪声、振动和刺耳噪音问题的新方案

《Sensors and Actuators A: Physical》：Acoustic Metamaterials: An alternate for Noise, Vibration and harshness problems

噪声振动与声子材料在NVH控制中的应用及制造技术研究。

　　在当今快速发展的科技时代，随着工业4.0和未来社会5.0概念的提出，各行各业都在经历深刻的变革。其中，噪声、振动与粗糙度（NVH）问题日益受到关注，尤其是在汽车、航空航天、声学工程和建筑等领域。NVH不仅影响产品的性能和使用寿命，还对用户体验和环境质量产生重要影响。因此，如何有效控制NVH成为当前研究的重要课题。在这一背景下，声学超材料（Acoustic Metamaterials, AMs）作为一种新型材料技术，展现出巨大的潜力。声学超材料通过其独特的微观结构设计，能够实现对声波和弹性波传播的调控，从而在NVH控制方面发挥重要作用。

声学超材料的基本概念源于对传统材料特性的突破。与自然材料不同，声学超材料具有非自然的中观结构拓扑，使其能够表现出特殊的物理特性，如负质量密度、负体积模量以及声波的带隙效应等。带隙效应是指在某些频率范围内，声波或弹性波无法在材料中传播的现象。这一特性使得声学超材料在抑制特定频率的噪声和振动方面具有独特优势。近年来，随着材料科学和制造技术的进步，声学超材料的研究取得了显著进展，其应用范围也不断扩大。

声学超材料的发展历程可以追溯到20世纪60年代，当时Veselago提出了负折射率材料的理论基础，奠定了超材料研究的起点。此后，超材料的概念逐渐扩展到光学、热学和声学等领域。2001年，DARPA将超材料定义为一类半主动复合材料，这一分类为后续研究提供了新的方向。同时，学者们对“meta”一词的来源进行了探讨，认为其源自希腊语，意为“超越”或“在某种材料属性之外”。这一概念的提出，不仅丰富了超材料的理论体系，也为实际应用提供了新的视角。

在声学超材料的研究中，研究者们主要关注两种机制：布拉格散射（Bragg Scattering）和局部共振（Local Resonance）。布拉格散射机制基于周期性结构对波传播的干涉效应，而局部共振机制则依赖于嵌入在材料中的亚波长尺度共振器。这两种机制分别适用于不同类型的声学超材料，如声子晶体（Phononic Crystals, PCs）和局部共振声学材料（Locally Resonant Sonic Materials, LRSMs）。声子晶体通过周期性排列的多材料结构实现波传播的抑制，而局部共振材料则利用共振器的物理特性，在较低频率范围内实现带隙效应。

声学超材料的结构设计多种多样，涵盖了从简单的晶格结构到复杂的拓扑结构。例如，体心立方（BCC）结构、菱形十二面体结构、壳型结构等被广泛用于声波和弹性波的调控。同时，一些研究者还探索了基于板材、空间线圈、螺旋结构、复合材料以及仿生结构（如折纸结构）等设计的声学超材料。这些结构不仅在频率范围上具有多样性，而且在实际应用中展现出不同的性能特点。此外，随着3D打印技术的兴起，研究人员能够更灵活地制造具有复杂几何结构的声学超材料，为大规模生产和应用提供了便利。

在声学超材料的制造过程中，传统方法如激光切割、CNC加工和铸造等曾被广泛采用，但这些方法在制造复杂结构方面存在一定的局限性。而3D打印技术的出现，使得制造高精度、复杂结构的声学超材料成为可能。例如，Zhu等人使用水射流切割技术制造了铝基的螺旋结构声学超材料，而Sun等人则通过粘接技术制造了基于板材的声学超材料。这些方法不仅提高了制造效率，还使得声学超材料的性能优化成为可能。

声学超材料的性能分析通常依赖于分析模型和数值模拟方法。在分析模型方面，研究者们常常简化几何结构为板或梁，基于欧拉-伯努利梁理论等经典力学模型推导波传播的数学表达式。在数值模拟方面，常用的计算方法包括平面波展开法（Plane Wave Expansion Method, PWE）、多重散射理论（Multiple Scattering Theory, MST）、有限差分时域法（Finite Difference Time Domain Method, FDTD）以及有限元法（Finite Element Method, FEM）等。这些方法能够帮助研究者预测声学超材料的带隙特性，并评估其在不同频率范围内的波传播行为。

实验验证是声学超材料研究不可或缺的一环。由于声学超材料的性能与结构设计密切相关，实验研究能够提供实际应用中的关键数据。例如，Ayd?n和San设计了一种基于亥姆霍兹共振器的声能收集装置，通过实验验证了其在特定频率范围内的能量捕获能力。此外，一些研究者还通过实验手段测量了声学超材料的带隙特性，并评估了其在噪声抑制和振动控制方面的实际效果。这些实验不仅验证了理论模型的准确性，也为声学超材料的工程应用提供了重要的参考依据。

声学超材料的应用前景广阔，尤其在NVH控制领域具有重要价值。例如，在航空航天领域，声学超材料可用于降低飞机机身的噪声和振动，提高乘坐舒适性；在建筑领域，可用于隔音和减震，提升建筑结构的稳定性和居住环境的舒适度；在声学工程中，可用于开发新型声屏障和声学滤波器；在生物医学工程中，可用于声波成像和治疗设备的设计。此外，随着研究的深入，声学超材料还可能在更广泛的领域中发挥作用，如海洋工程、智能材料和机器人技术等。

值得注意的是，声学超材料的研究仍处于不断发展的阶段。尽管已有许多研究成果，但其在实际应用中的挑战依然存在。例如，如何提高声学超材料的制造精度和可扩展性，如何优化其在不同频率范围内的性能，以及如何降低其制造成本等。这些问题需要进一步研究和探索。此外，随着对超材料研究的深入，一些新的概念和技术正在被引入，如拓扑声学、梯度折射率材料等，这些都将为声学超材料的发展带来新的机遇。

综上所述，声学超材料作为一种新兴材料技术，在NVH控制方面展现出巨大的潜力。其独特的结构设计和物理特性，使得它能够在特定频率范围内有效抑制声波和弹性波的传播。随着制造技术的进步和研究的深入，声学超材料将在未来工程中发挥越来越重要的作用。然而，其实际应用仍需克服一系列技术和工程上的挑战。因此，继续深入研究声学超材料的结构设计、制造工艺和性能优化，将是推动其在NVH控制及其他领域应用的关键。