综述：声音传输损耗的测试材料：综述

《Progress in Materials Science》：Materials for sound transmission loss: A review

　　摘要
噪声污染是全球日益严重的挑战，对人类健康、生活品质以及生态系统造成深远影响。为降低噪声，有两种材料类别尤为重要：一类是吸音材料，能够减少声音反射；另一类是隔音材料，具有较高的声传输损耗值。本综述以隔音性能和声传输损耗作为核心评价指标，仅探讨那些有助于降低传声强度的吸音机制。目前关于在宽频范围内具有高声传输损耗的隔音材料的文献较为零散，这不利于对现有技术进行直接比较，也难以实现不同材料类别之间的相互借鉴。因此，本文对用于隔音的致密固体材料、多孔材料以及超材料相关研究进行了综述。首先介绍传统材料，包括实心墙、夹层板以及带孔板材；随后阐述多孔材料，如泡沫、纤维材料及气凝胶；最后讨论膜结构型和迷宫型超材料。通过比较质量定律反射、粘滞与热耗散以及局部共振等机制，本文明确了提升声传输损耗性能的关键趋势、局限性以及混合设计策略。同时重点分析了形状、密度、尺寸及分层设计如何影响材料的宽带隔音效果。此外，本文还整合了不同材料类别的研究成果，提供了对比框架，并指出了混合设计与自适应设计中的发展机遇。这一视角既可作为材料选择的参考指南，也可为未来开发更轻质、可调控且可持续的噪声控制解决方案提供跨学科创新方向。

引言
噪声被定义为频率在20赫兹至20千赫兹之间、能引发不适感并干扰正常听觉感知的声音[1][2]。其危害程度取决于声强、暴露时长以及多种生理、环境及心理因素[3]。2021年，全球有超过4.5亿人患有“致残性”听力损失[4]，长期或短期的职业噪声暴露被认为是导致这一问题的主要因素。在欧盟，噪声暴露每年大约导致12,000例过早死亡、48,000例新发心脏病病例以及12,500例儿童学习障碍案例[5]。约有9,500万欧盟居民受到道路交通噪声的危害，另有2,200万人长期遭受噪声困扰。常见的症状包括睡眠障碍、压力升高、心率加快、情绪变化以及中耳压力增大[6][7]。

低频或高强度噪声还对陆地、地下及海洋生态系统构成严重威胁。动物会出现生理反应，如应激激素水平上升，也会出现行为上的适应性变化，比如改变防御天敌的行为方式。噪声污染会干扰动物间的交流，打破捕食者与猎物之间的动态平衡，还会影响它们的交配和觅食活动，从而破坏生态系统稳定性，危及物种生存[8][9][10][11][12]。因此，降低噪声暴露不仅对保护人类健康至关重要，也对维护生态环境具有重大意义。

鉴于这些风险，世界卫生组织及欧盟等机构制定了严格的环保噪声标准，以减轻噪声对人类和野生动物的不良影响。尽管付出了诸多努力，有效的噪声控制依然是一项艰巨任务，尤其是在人口密集和工业化程度较高的地区。图1展示了各类噪声源的典型声功率级。喷气发动机、工业机械以及道路交通是噪声污染的主要来源。不过，即使是像水龙头滴水或时钟走动这样的微小声响，只要带来不适感，也被视为噪声。一般来说，降低人们所处环境的声压级就能减少噪声感知。由石头、水泥或木材制成的传统刚性屏障主要依靠反射来减弱声音，但这类墙体反而可能在声源侧放大噪声，这在城市道路环境中尤为突出[14][15][16][17]。此外，建造此类墙体还需要大量材料和空间。

因此，迫切需要开发出具备以下特性的先进材料：
• 在宽频范围内，尤其是低频段（20–200赫兹）具有高且可调控的声传输损耗；
• 密度较低，以提高资源利用效率，便于运输和应用在轻量化产品中；
• 具备强大的吸音能力；
• 在制造和使用过程中安全可靠，环保耐用（如具备生物基或可降解特性、可回收性），价格合理且易于加工。

要满足这些要求仍面临巨大挑战。传统的致密固体材料，如板材和层压材料，只能提供部分解决方案。近几十年来，人们开始广泛研究多孔材料与声学超材料，因其能够利用新的隔音与能量耗散机制。本文将当前该领域中三类主要的材料类别定义为：（1）致密固体材料，（2）多孔材料，（3）超材料（见图2）。在本综述中，致密固体材料指的是石料、混凝土、木材或复合板材等结构密度较高的材料，其隔音机制主要基于质量和刚度规律，而非内部能量耗散。多孔材料则包括纤维垫、泡沫和气凝胶，这类材料的隔音机制主要是通过空气在相互连通的孔隙中流动时产生的粘滞耗散和热耗散来实现。而超材料则按照经典定义，是指具有亚波长结构的人工设计或共振结构，可通过局部共振、相位抵消或路径延长等机制实现可调控或极端的声控效果。因此，本综述中的分类依据是决定声传输损耗的主导物理机制，而非仅仅依据孔隙率、几何形态或制造方法。在以往关于声学材料与噪声控制的综述研究中，也采用了类似基于机制的分类方式[18][19]。

虽然这些分类方式便于研究，但其界限其实并不清晰——许多实际系统往往兼具多种类别的特征。例如，多孔-面板复合材料或共振泡沫就同时利用了基于质量的反射效应、内部能量耗散以及局部共振效应。在本综述中，这些材料是根据其主导的隔音机制分别进行讨论的；不过也需要注意到不同类别之间的重叠现象，因为大多数实际结构都表现出混合特性。图2展示了这三类材料的融合关系，突显出现代隔音设计的混合性质。

在本综述中，声传输损耗被作为评估隔音材料性能的核心指标（见2.1节）。虽然文中也在多个章节探讨了粘滞耗散和热耗散等与吸音相关的现象，但这些内容仅从其对降低传声能量、进而提升声传输损耗的作用角度进行阐述。这种处理方式既能保持对隔音性能的聚焦，也能承认能量耗散机制在实际隔音设计中往往不可或缺。据我们所知，目前尚无综合性综述同时涵盖传统材料与先进材料在隔音应用中的表现。正因如此，研究人员和工程师往往缺乏统一的评估框架，难以将不同材料的性能与现有最佳技术进行比较，也无法设计出功能更强的下一代材料。现有的综述大多集中于某一类材料，如声学超材料[20][21][22][23]、壳体结构中的隔音技术[24]、夹层双面板[25]、复合材料[26]，或是用于声学应用的可持续材料[27][28]，但仍然缺乏全面而系统的综合分析。

因此，本综述旨在全面梳理用于实现高声传输损耗的传统材料与先进材料。本文筛选并整合了相关研究文献，总结了决定声传输损耗的关键机制、设计策略及性能发展趋势，旨在为材料设计的优化提供有力参考。第2节介绍了平面隔音墙的基本声学原理。第3.1节探讨了石料、木材和混凝土等传统材料，以及纤维填充或泡沫填充的夹层板、泡沫-亥姆霍兹共振器复合材料和纤维增强固体等先进设计。第3.2节聚焦于泡沫、纤维和气凝胶等多孔材料，第3.3节则研究了利用反共振峰和3D打印结构实现选择性吸音、隔音及传声控制的超材料。最后，第4节总结了当前面临的挑战与未来研究方向，第5节则给出结论。

在整篇综述中，我们强调了三个关键要素，它们共同决定了材料在降低声传输损耗方面的有效性与高效性：
1. 将基本声学理论与针对声传输损耗的材料分析相结合，实现了传统方法与新兴方法的衔接；
2. 与那些仅关注多孔吸音材料或超材料的现有综述不同，本文提供了全面的视角，系统地比较了致密固体材料、多孔材料与超材料的表现；
3. 重点介绍了具有可调性、轻量化及多功能特性的新型声传输损耗材料，这些材料融合了不同类别的机制，为通过多尺度设计策略实现技术交叉创新奠定了基础。

基本声学原理
在流体中，声波以纵波形式传播，其特征为波长（λ）和声速（c），在正常条件下声速几乎保持恒定，只有在爆炸或极端情况下才会发生变化[29]。频率（f）与波长之间的关系为f = c/λ。在空气中，声速约为343米/秒，因此可听声波的波长范围为：20千赫兹时约17毫米，20赫兹时可达17米[30]。次声波的频率低于20赫兹，它既可能自然产生，比如来自大象、地震和火山的活动[31][32]，也可能由人为因素产生。

致密固体结构
自古以来，石料和木材就因其较高的质量和刚度而被用作主要建筑材料，能够有效阻挡空气中的声波。天然石材，如石灰岩、砂岩、大理石、花岗岩和白云石，其密度介于1430至3340千克/立方米之间[88][89][90]，声速则在1500至4500米/秒之间[91]。由于这些材料的声阻抗远高于空气，因此能够产生强烈的反射作用，从而具备较高的声传输损耗。不过，尽管天然石材存在一定孔隙率……

前景与未来挑战
关于声传输损耗材料的研究已发展成为一个涵盖致密固体、多孔介质以及人工设计超材料的跨学科领域。这三类材料在主导的声学机制上存在根本差异：实心面板主要依靠质量定律反射，多孔材料则依赖粘滞-热耗散，而超材料则通过亚波长结构共振和定制化的色散效应来实现隔音效果。尽管各具优势，但这三类材料都面临着一些关键挑战……

结论
本综述分析了固体材料、多孔介质以及声学超材料在隔音方面的应用，重点阐述了决定声传输损耗的三种主要机制：质量定律反射、粘滞-热耗散以及基于共振或相位抵消的衰减效应。一个重要的结论是，没有任何一种单一材料类别能够在所有频率范围内都实现高声传输损耗。因此，未来的研究方向在于开发结合多种互补机制的混合结构与分层设计。

CRediT作者贡献说明
Prasansha Rastogi：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、方法论、研究实施、概念构思。
Ysbrand Wijnant：撰写——综述与编辑、监督指导。
Claas Willem Visser：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、监督指导、资源协调、概念构思。
Ashkan Ghanbarzadeh Dagheyan：撰写——综述与编辑、撰写——初稿。

未引用参考文献
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利益冲突声明
作者声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：Ashkan Ghanbarzadeh Dagheyan表示获得了荷兰ZonMW机构的资金支持。其他作者则声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢C. H. Venner教授的宝贵意见与支持。A.G.D.的部分研究工作得到了ZonMW Offroad 2023项目（资助编号04510012210058）的支持，该资助有助于完成本综述的撰写。

Prasansha Rastogi | Ysbrand Wijnant | Claas Willem Visser | Ashkan Ghanbarzadeh Dagheyan
荷兰恩斯赫德，特文特大学