《Machines》：Analysis of Sound Insulation Performance in Aeronautical Composite Materials and Optimization Study on Film Metamaterials
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采用碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料制造飞机结构显著降低了结构重量，但牺牲了中频隔声性能。为解决这一问题，本研究开发了一种轻质薄膜型声学超材料设计，针对航空复合材料壁板的2000 Hz隔声谷。研究人员构建了阻抗管测试平台，用于表征CFRP试件的全频段传声损
采用碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料制造飞机结构显著降低了结构重量，但牺牲了中频隔声性能。为解决这一问题，本研究开发了一种轻质薄膜型声学超材料设计，针对航空复合材料壁板的2000 Hz隔声谷。研究人员构建了阻抗管测试平台，用于表征CFRP试件的全频段传声损失（sound transmission loss, STL），并建立了引入等效边界刚度的结构-声耦合有限元模型且加以验证。1000 Hz以上仿真结果的平均绝对误差（mean absolute error, MAE）在3 dB以内，最大单点误差为3.9 dB，满足大多数频点的工程精度要求。在增重不超过5%的约束下，提出了一种基于模态分析和局域共振调谐的薄膜超材料正向设计方法。实验结果表明，在单元胞尺度正入射条件下，该设计在2000 Hz处实现了16.5 dB的STL提升，且增重仅为2.29%，超过了3 dB的技术要求。该工作为飞机客舱轻量化中频噪声控制提供了实用的工程参考。
一、研究背景与问题
在全球碳中和目标推动下，航空工业将结构轻量化作为核心技术路径，国际民航组织（ICAO）设定了2020年后国际航空碳中性增长目标，空客、三菱重工等制造商将大规模采用复合材料作为减重增效的关键手段。然而，结构轻量化带来了客舱噪声控制的新挑战。巡航阶段客舱噪声主要来源于湍流边界层压力脉动、发动机噪声辐射和设备振动，频谱覆盖50–8000 Hz，其中2000 Hz以下的中低频成分透射强、自然衰减有限，是乘客不适的主要来源。传统铝合金壁板依靠较高的面密度提供中低频隔声；碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料面密度显著降低且力学性能呈各向异性，导致其中低频隔声性能下降。若按质量定律通过增加质量或吸声材料提升隔声，会直接抵消轻量化收益，因此亟需一种低增重代价的中频隔声增强方案。
二、研究内容与主要结论
本研究围绕航空CFRP结构的中频隔声不足，开展“部件级测试—数值建模—正向超材料设计—实验验证”的系统研究。共制备4件复合材料部件级试件，涵盖两种材料体系、三种厚度和多铺层方式，分别适应CIT100和CIT30阻抗管。研究人员建立了结构-声耦合有限元模型，引入等效橡胶层边界刚度以模拟实际装夹约束，并通过阻抗管试验验证模型精度。在此基础上，针对2000 Hz隔声谷，在增重不超过5%的约束下，基于模态分析和局域共振调谐提出薄膜超材料正向设计流程。实验结果表明，在单元胞正入射条件下，仅增重2.29%即可在2000 Hz处提升STL达16.5 dB，显著超过3 dB设计目标。该工作证明薄膜型声学超材料能够以极小重量代价实现目标频段隔声增强，为飞机客舱中频噪声控制提供了可工程化参考。
三、关键技术与方法
主要关键技术包括：第一，采用BOACH Test-Material-CIT系列圆形阻抗管系统，依据GB/Z 27764-2011传递函数法测量正入射传声损失，试件分别使用100 mm内径CIT100（100–6300 Hz）和30 mm内径CIT30（800–8000 Hz），测试前进行传声器相位校准并保证密封。第二，基于LMS Virtual.Lab建立阻抗管—试件耦合有限元模型，入射腔与透射腔采用六面体声学单元，复合材料试件采用四边形壳单元并定义铺层角度与材料属性；在试件与夹具接触边缘建立等效橡胶层，约束其外环节点平动自由度，通过反演标定边界刚度以模拟真实夹持条件。第三，针对PET基膜开展声学参数标定，采用“试验+反演”方法确定等效杨氏模量：制备无配重圆形薄膜试件，将有限元仿真曲线与阻抗管测试曲线最优对齐以获得标定参数。第四，基于局域共振原理进行正向设计，以膜厚、配重密度和配重质量为变量，最终确定150 μm PET膜、中心配重0.1 g、框架0.1 g的AMM02方案。
四、研究结果
（1）复合材料隔声特性分析。4种试件的隔声仿真曲线均呈典型薄板隔声行为，存在低频刚度控制区和中频质量控制区，分界频率对应一阶鼓膜模态频率。鼓膜模态下整体单向运动导致隔声谷；刚度控制区内隔声随频率升高而下降；质量控制区内隔声总体随频率上升，但结构模态共振引起明显波动。同一材料体系下，厚度更大、面密度更高的试件整体隔声更高；中高频隔声主要由面密度控制，对材料体系和铺层方式依赖较弱。
（2）有限元模型实验验证。1000 Hz以下，厚试件与密封结构刚度接近会产生刚度耦合，导致低频仿真与试验偏差增大；1000 Hz以上4种试件的平均绝对误差均低于3 dB，均方根误差为2.09–2.56 dB，最大单点误差为2.6–3.9 dB。多数频点满足工程精度要求，仿真在2000–3000 Hz区间略低估隔声，但总体趋势和峰谷位置一致，模型可用于超材料优化设计。
（3）薄膜超材料设计。膜厚从0.05 mm增至0.2 mm时，面密度和结构阻尼同步提高，2000 Hz隔声性能持续改善。0.15 mm为国产PET膜标准生产规格，且模切、粘接工艺成熟，2000 Hz处隔声效率达13.57 dB，故基膜厚度定为0.15 mm。结合有限元中心等效刚度14 200–15 800 N/m与局域共振公式，确定配重质量为0.1 g，最终形成“0.15 mm PET膜+中心单配重0.1 g+框架0.1 g”的AMM02设计。
（4）实验验证。AMM02单独测试在2000 Hz出现明显反共振峰，实验STL约18.21 dB（仿真17.89 dB），较纯膜结构提升4.64 dB。将AMM02与Sam1复合材料试件通过3 mm空气层耦合后，2000 Hz处STL由裸板的25.07 dB提升至41.57 dB，净增16.5 dB，增重仅2.29%。大于3 dB的带宽约为1800–2200 Hz，2000–3000 Hz频带平均增益约为8–10 dB。裸板、AMM02单独及复合结构三者对比表明，超材料与复合材料壁板之间存在协同作用。
五、讨论与结论
研究表明，薄膜超材料的隔声增强机制是反共振而非简单质量加载，其增益远高于质量定律对同等附加质量的预测。PET膜参数标定流程提高了有限元模型在全频段的预测可靠性。该设计直接针对湍流边界层噪声相关的2000 Hz频段，为飞机、高速列车和汽车等运载工具的轻量化降噪提供了可行方案。未来研究将向多频与宽带方向发展，包括多配重构型产生多个反共振峰，以及梯度厚度分布实现连续宽带隔声效果。本研究的结论可概括为四点：建立了经实验验证的结构-声耦合有限元模型，1000 Hz以上MAE低于3 dB；提出了5%增重约束下的薄膜超材料正向设计流程；实验证明2.29%增重即可在2000 Hz实现16.5 dB的STL提升；形成了“材料标定—膜材选择—目标频率调谐—实验验证”的完整设计流程，为飞机客舱中频降噪提供了工程参考。需要注意的是，该工作属于单元胞级概念验证，大面积壁板试验和环境耐久性评估有待后续工程开发。
