《Results in Engineering》：ACOUSTIC METAMATERIALS: A REVIEW ON DESIGN ARCHITECTURES, ADDITIVE MANUFACTURING TECHNIQUES, AI-DRIVEN ENHANCEMENTS, AND EMERGING APPLICATIONS
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工程材料，即超材料，允许控制电磁波和声波，因为其结构设计决定了它们的性质，而不是其组成。包含亚波长周期结构的声学超材料（Acoustic Metamaterials, AMMs）显示出不同寻常的特性，如体积模量（bulk modulus）和负有效密度（nega
工程材料，即超材料，允许控制电磁波和声波，因为其结构设计决定了它们的性质，而不是其组成。包含亚波长周期结构的声学超材料（Acoustic Metamaterials, AMMs）显示出不同寻常的特性，如体积模量（bulk modulus）和负有效密度（negative effective density）。这些特性在隔声、波聚焦、声学隐身和成像方面提供了复杂的应用。本研究总结了AMM研究的最新进展，重点介绍了超越传统方法的创新结构设计，以实现有效的减声和波操纵。尽管取得了进展，但仍然存在重大障碍，特别是在获得宽带功能和缩放设计以实现实际实施方面。制造是AMM发展的一个重要方面。凭借其精度和创建复杂结构的能力，增材制造（additive manufacturing）开辟了新的可能性，而传统制造仍然提供可靠性。AMM应用现在可用于更广泛的领域，如降噪、水下声学和医学成像。未来方向强调了AMM设计与人工智能（artificial intelligence, AI）的集成。通过结合基于物理和数据驱动的见解，机器学习（machine learning, ML）和深度学习（deep learning, DL）技术可以消除设计限制，最大化性能，并加速发现。总的来说，材料科学、声学和AI的结合使AMM成为下一代声学技术的革命性平台，解决了波操纵和降噪问题。
论文主体部分包括AMMs的设计架构、制造技术、传统设计挑战、人工智能（AI）的整合以及新兴应用，具体总结如下：
**2. 声学超材料（AMMs）的设计**
AMMs通过特定结构配置实现独特物理性质，其能力主要由工程化几何形状和内部结构决定。常见的分类包括亥姆霍兹共振器结构（Helmholtz resonator structures）、膜型结构（membrane-type structures）、局部共振结构（locally resonant structures）和空间卷曲结构（coiling-up space structures）。
**2.1 亥姆霍兹共振结构（Helmholtz Resonance Structure）**：该类AMMs由带窄颈的小腔体组成，每个单元类似微型亥姆霍兹共振器，颈内空气在共振频率处振动以实现吸声。此类结构在轻质低频设计中具有显著优势，利用空气共振无需额外质量，常用于管道噪声消除系统。从声阻抗角度看，可建模为集总质量-弹簧系统，共振频率由颈尺寸和腔体积决定，公式为 \( f = \frac{c}{2\pi} \sqrt{\frac{S}{V L_{\text{eff}}}} \)，其中 \(c\) 为声速，\(S\) 为颈横截面积，\(V\) 为腔体积，\(L_{\text{eff}}\) 为有效颈长。亥姆霍兹共振器型AMMs对低频吸声高效，但工作带宽窄，近年来通过混合设计、多共振器阵列和优化几何来拓宽带宽。
**2.2 膜型结构（Membrane type Structure）**：膜型AMMs由薄柔性膜和附着小质量构成，在100–1000 Hz区域违反质量密度法则实现声衰减。研究表明，低质量的膜型器件可实现比质量定律高约500%的透射损失。主动膜声学超材料（Active membrane acoustic metamaterials, AMAMs）通过压电材料或磁流变弹性体调节共振频率，以克服膜型AMMs窄带宽限制。例如，采用加压空气调节膜刚度的集中驱动设计适用于飞机或火车。带偏心质量的膜型AMMs通过优化质量参数可拓宽低频隔声带宽，四分环质量配置使300 Hz以下5 dB透射损失带宽提升1325%。膜型共振器在水下吸声结构中也能拓宽频谱。超薄膜型AMM（含密封气体腔和中心小片）在152 Hz处实现近完美吸收（吸收系数0.994），并通过磁-线系统达到23%的功率转换效率。蜂窝状支撑膜与亥姆霍兹共振器耦合的设计进一步提高了低频隔声性能。穿孔板型AMMs（Perforated plate type acoustic metamaterials, PAMs）去除膜预张力并允许通风，通过声波干涉实现宽带隔声。复合偏心块-亥姆霍兹腔膜型AMM（Composite eccentric-block membrane acoustic metamaterial, CEMAM）通过膜-块局部共振与亥姆霍兹腔声学共振的协同耦合，同时实现高隔声和吸声。
**2.3 局部共振结构（Locally Resonant Structure）**：局部共振声学超材料（Locally Resonant Acoustic Metamaterials, LRAMs）利用内部共振单元（如质量-质量系统）在亚波长尺度产生声阻塞带隙，突破质量密度定律。早期工作由Liu等引入，采用橡胶涂层包裹物实现低频带隙。通过有限模态分析评估二维LRAMs的面内和面外色散特性，并研究材料属性和几何尺寸对带隙的影响。部分约束层阻尼的周期应用可实现可配置的止带。功能材料如压电元件与阻尼层集成后，通过机电耦合增强带隙衰减并实现可调谐宽带波衰减。参数化水平集拓扑优化方法被用于设计多材料LRAMs，以指定带隙宽度和位置。LRAMs在低频声衰减方面表现出色，但多数设计具有窄带宽和结构复杂性问题，未来方向包括宽带设计、多材料集成和AI辅助优化。
**2.4 空间卷曲结构（Coiling-up space structure）**：空间卷曲AMMs通过迷宫式通道延长声传播路径，在紧凑体积内实现高折射率和亚波长波操纵，如负折射和声透镜。Liang等首次提出该概念，单元由刚性板嵌入流体背景形成曲折通道。渐缩通道设计改善了阻抗匹配和色散特性，如螺旋-迷宫声学超材料（Spiral-labyrinthine acoustic metamaterial, SLAM）实现异常吸声。超薄二维AMMs通过卷曲通道实现异常声透射（exceptional acoustic transmission, EAT），源于深亚波长结构中的法布里-珀罗共振。更大分形卷曲导致深亚波长带隙。实验证明宽带负折射率的实现，与仿真一致。声学彩虹俘获效应通过高折射率空间卷曲结构在波导中数值展示，可将宽带信号分频至不同通道。圆形迷宫式元磁盘（metadisk）在2023年提出，具有可重构性，在574 Hz和1436 Hz处峰值吸声系数达0.81和0.75，并在100–580 Hz和820–1600 Hz频段内表现出显著透射损失。此类可拼装元瓷砖（metatiles）展示了向轻质、灵活噪声控制设备发展的趋势。空间卷曲结构有效实现紧凑低频声操纵，但存在制造复杂性和粘性损失问题，未来需优化通道几何并整合增材制造。
**3. 制造技术**
**3.1 增材制造（Additive manufacturing）**：3D打印通过逐层堆积材料构建复杂三维物体，提供高精度和低材料浪费。常用技术包括熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）、立体光刻（Stereolithography, SLA）、数字光处理（Digital Light Processing, DLP）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）和选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）。FDM成本低但分辨率低，SLA/DLP提供高分辨率，适合制造空间卷曲结构和亚波长共振器。粉末床融合技术（SLS/SLM）可制造聚合物和金属AMMs。例如，采用DLP制造的十四面体晶胞AMM在实验和有限元分析（FEA）中验证了几何参数对吸声的影响。增材制造显著促进了复杂几何形状的实现，但表面粗糙度、微观精度和多材料能力仍是挑战。
**3.2 传统制造技术（Conventional Fabrication Techniques）**：传统方法包括计算机数控（CNC）加工、激光切割、钻孔、铣削、铸造和模塑。这些技术常用于制造2D和准3D周期声学结构。CNC加工可实现低表面粗糙度（Ra ≈ 0.2 μm）和高尺寸精度，适用于金属共振器和穿孔AMM结构，但难以制造复杂内部几何。激光切割可制造高精度狭缝结构。传统制造在复杂内部形状和封闭腔体方面受限，但具有可预测的共振行为和较低的热粘性损失。不同制造方法的比较表明，增材制造虽能实现复杂几何，但表面粗糙度增加热粘性耗散，影响共振频率和吸声峰值。
**4. 传统AMMs设计的挑战**
传统AMM设计依赖直觉驱动、试错和计算建模，面临诸多困难。复杂几何和制造限制是主要问题：AMMs通常需要精密微结构，任何尺寸偏差都会迅速降低性能。分析性和计算性方法（如拓扑优化）受限于拓扑导数复杂性和高计算成本，难以扩展。制造误差（错位、表面粗糙度、尺寸不精确、材料不一致）会显著偏离预期性能。许多AMMs需要精细几何（如分形、空间卷曲），难以用传统方法描述和优化。随着工作频率升高，特征尺寸减小，这些限制更明显。为解决这些困难，设计者越来越多采用可制造性设计（Design for Manufacturability, DFM）策略。
**5. 人工智能（AI）在AMMs中的应用**
**5.1 AI在AMM设计中的作用**：AI正在改变AMM设计，通过高效探索高维参数空间，减少对重复有限元模拟的依赖。前向替代建模中，AI学习几何/材料参数与声学响应（如吸声系数、透射损失、带隙频率）的映射。深度神经网络（Deep Neural Networks, DNNs）在大量FEM数据集上训练后，预测误差低于0.33%。卷积神经网络（CNN）替代模型应用于声学超表面吸声器，实现高效宽带低频设计。逆向设计框架直接预测实现目标声学性能的结构参数，例如两阶段DNN模型从约10万样本中预测共振吸声结构参数。变分自编码器（Variational Autoencoders, VAEs）和条件生成对抗网络（conditional Generative Adversarial Networks, GANs）用于单元几何生成与设计趋势识别。混合优化策略将AI与遗传算法等进化算法结合，如多层AMM面板的优化。此外，AI还用于增强制造鲁棒性，补偿制造误差。可靠部署需严格验证，包括预测误差、带隙频率偏差、实验验证和泛化能力。AI框架已实现全向带隙预测和声学隐身结构设计，散射减少达92%。
**6. 声学超材料的应用**
**6.1 降噪与隔声（Noise Reduction and Sound Insulation）**：传统材料如质量负载乙烯基和泡沫在低频（<200 Hz）性能受限。AMMs通过工程化结构提供亚波长可调谐解决方案。例如，单端口迷宫式AMM在约0.07λ厚度下实现近完美低频吸声，可调带宽9%至超过180%。微穿孔板吸声体配合U型腔体在300–1200 Hz频段实现约20%的平均吸声系数提升。复合结构结合多孔材料与AMMs可实现宽带吸声隔声。AMM面板用于工业设备封闭和建筑声学，并逐步集成至家电和HVAC系统。
**6.2 声学隐身（Acoustic Cloaking）**：声学隐身利用AMM的各向异性特性弯曲声波绕过物体。2007年提出二维声学隐身理论框架，通过映射声波方程至麦克斯韦方程。多层级结构由两种各向同性AMM交替组成，通过声子晶体实现所需质量密度和有效声速。首个实验演示采用水载超声，通过金属圆柱壳内亚波长腔网络实现分级有效参数。地面平面隐身衣（ground-plane cloak）使用穿孔塑料薄板以棱锥帐篷结构覆盖散射体，实验验证了散射降低。其他策略包括辅助散射体干涉相消。宽带设计和实际实现仍是挑战。
**6.3 声学聚焦与成像（Acoustic Focusing and Imaging）**：声学成像利用声波可视化内部结构，适用于不透明或浸没材料。AMMs基于亚波长共振结构实现透镜功能，包括超透镜（superlens）、超透镜（metalens）和超透镜（megalens）。超透镜利用负折射率突破衍射极限；超透镜利用各向异性有效参数实现超分辨率成像；超透镜利用共振隧穿实现亚波长聚焦。AMM透镜通过负折射率、表面共振、法布里-珀罗共振、有效各向异性参数和共振隧穿等原理实现声聚焦，应用于医疗诊断、超声碎石等。
**6.4 水下声学应用（AMMs in underwater application）**：AMMs为水下噪声控制、声学隐身、成像和通信提供创新方案。早期负有效参数（负体积模量、负质量密度、双负）奠定基础。水下共形变换声学（conformal transformation acoustics）实现波束转向和靶向检测。声学超表面（acoustic metasurfaces）以无源亚波长元件高效整形波前。声学整流器、亚波长开关和非对称传输器件已被展示。涡旋声束发生器和声全息图（acoustic holograms）大幅提升重构自由度。层级各向异性AMM设计实现低声阻抗和高机械强度，在400–1200 Hz内透射损失超16 dB，并承受2 MPa压力。拓扑优化设计的低声阻抗晶格超屏在500–2000 Hz内实现超17 dB的透射降低。耐久性、阻抗匹配和可扩展性仍是未来研究方向。
**7. 结论**
AMMs作为一类革命性合成材料，能够以传统材料无法实现的方式操纵声波。本文综述了其基本原理、历史发展、结构设计、制造技术及在建筑、声学成像和水下声学等领域的实际应用。重点介绍了亥姆霍兹共振器、膜型、局部共振和空间卷曲结构。制造技术方面，增材制造（FDM、DLP、SLS等）为复杂几何提供了高精度和设计自由度，但面临宽带性能、可扩展性和制造简便性等挑战。AI（机器学习ML和深度学习DL）的整合加速了材料发现、仿真加速和逆向设计，克服了传统方法的限制。未来，AMMs将向宽带可调谐、智能系统集成、多功能混合（热-电-声）和可扩展低成本制造方向发展，在国防、能源采集和生物医学成像等领域具有广阔前景。
