声隐身超材料发展综述

许伟龙，彭伟才，张俊杰，何雪松

1 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

2 船舶振动噪声重点实验室，湖北武汉430064

0 引 言

声学超材料是一类具备超常物理特性的人工复合材料，主要表现为在一定频率范围（称为“带隙”）内可抑制低频弹性波的传播，并具有负等效质量密度、负等效弹性模量等自然材料所不具备的超常物理特性［1］。利用声学超材料的低频带隙特性和超常物理特性，可以实现超强的低频吸声/隔声（以下简称“吸隔声”）、减振/隔振（以下简称“减隔振”）、声目标强度控制等功能，为水下声隐身技术的发展提供了新的途径。

水下声隐身技术是指为了降低设备的辐射噪声和声目标强度，所采取的一系列技术措施。声隐身技术不仅可以减少被敌方发现的距离和降低被敌方发现的几率，同时还可以提高探测敌方的能力。降低设备的水下辐射噪声是目前最主要的技术手段［2-4］。

然而，目前的减振降噪技术在降低水下航行器低频声信号特征方面很难取得优良的效果，而声学覆盖层对低频目标强度的降低又非常有限。随着电子信息、新材料等技术的发展，声呐技术已逐步实现低频、大功率、大基阵等特点［5-6］。目前，主流主动声呐的工作频率一般为1.5～3.5 kHz，被动声呐为0.1～1.5 kHz。美国自20 世纪80 年代开始研制用于探测低噪声、安静型潜艇的低频主、被动拖线阵声呐。这是一种专门用于远程警戒低噪声、安静型潜艇的甚低频声呐，其工作频率可以低至100 Hz 以下，主动发射声功率可超过230 dB，被动检测时作用距离可达100 km 以上［7-8］。

研究表明，利用声学超材料的低频带隙特性和超常物理特性，可以实现超强的低频吸隔声、减隔振等性能，这为其在水下声隐身领域的应用奠定了理论基础，国内外正在进行大量的应用探索研究。

本文将针对声学超材料的物理特性，分析声学超材料在低频吸隔声、减隔振以及声目标强度控制这3 个方面的研究现状，并对声学超材料应用于水下航行器的声隐身技术进行展望。

1 应用前景分析

由机械振动引起的噪声是水下航行器的主要噪声源之一。降低水下航行器的机械设备噪声一般有2 个途径：减振/隔振和吸声/隔声。减振/隔振是将机械设备安装在浮筏隔振系统上，通过机械绝缘和减振的方法来减小机械振动。近年来，浮筏技术得到应用并取得了很好的减振降噪效果。吸声/隔声是通过在壳体内、外表面敷设吸声和隔声材料来吸收和屏蔽由空气噪声引起的水下噪声。

然而，传统的隔声材料服从质量密度定律——重量较大，低频效果很差，很难满足实际需要。传统的吸声措施主要采用多孔材料，其在低频段吸声系数较低，需要很大的厚度才能提高低频段的吸声系数。

为了降低航行器的声目标强度，减少主动声呐的反射，通常在航行器壳体表面覆盖消声瓦。消声瓦主要是依靠材料的粘滞阻尼来消耗声波能量，而粘滞阻尼的物理定律决定了其在低频段的耗散必然低于高频段。可见材料和结构在低频范围均有一定的局限性，不能有效吸收几百赫兹的低频声波。

由于传统材料在水下隐身方面存在欠缺，因此具有特殊物理特性的人工复合材料开始成为人们关注的焦点。

声学超材料概念最初是由Liu 等［9-10］在研究局部共振声学材料时提出的，其设计了一种基于局域共振机理的新型材料，并从理论和实验上证明了材料的负有效模量：材料晶格尺寸远小于其声子晶体禁带所对应的波长，突破了布拉格散射机理的限制，成功实现了小尺寸结构对大波长（低频）声波传播的抑制，如图1 所示。

图1 局域共振型声子晶体Fig.1 Structure of locally resonant acoustic material

声学超材料是在声子晶体研究的基础上提出的一种新概念，是由不同的弹性模量和质量密度材料构成的周期性人工复合结构，具有负的等效弹性模量或负的等效质量密度。当声波或弹性波在其中传播时，能呈现出传统材料所没有的性质，如负折射及平面聚焦、声散射等。与声子晶体相比，超材料一般工作在亚波长尺度，其元胞尺度通常比工作波长小一个或几个数量级，因此能够实现小尺寸对大波长的控制［11-12］。

通过对超材料的材料组成和结构进行人工设计实现对声波的调谐，为低频水下声隐身带来了希望。

2 声学超材料在减隔振方面的研究进展

现有理论及实验研究已证实，利用超材料中的低频局域共振带隙，可以有效抑制结构中的低频弹性波传播，衰减结构低频振动响应与传递，进而实现对结构低频声透射、声辐射的高效控制［13-15］。在工程结构减振设计中，通过在不同支撑结构上周期性地附加局域共振单元，构建了一类具有低频局域共振带隙的局域共振型结构，这种结构有望用于水下航行器设备的结构减隔振。

支撑结构主要包括杆状结构以及板类结构等。杆状结构声学超材料的设计一般采用2 种方式：一是不同材料沿轴向周期性排列结构；二是附加局域共振单元在连续梁上周期性布置。针对轴系、齿轮传动等结构中的低频减振需求，目前正在开展杆的轴向拉压和扭转振动带隙、梁的弯曲和弯扭组合振动带隙等方面的研究［16］。

周期性杆状结构属于一维局域共振声子晶体，最早的研究工作始于1970 年，Mead［17］研究了周期性刚性支承条件无限长梁中弹性波的传输特性，分别分析了结构弯曲和扭转振动的传输与衰减特性。郁殿龙等［18-20］对由铝和环氧树脂这2 种材料交替排布的一维杆状声子晶体中的表面局域态进行了研究，结果表明这2 种材料按不同的排列顺序排布对减振效果影响较大。当满足表面局域态存在的条件时，在振动带隙内会出现共振峰，共振峰内减振可达20 dB 以上。图2 所示为一种局域共振型梁结构示意图［21］。图中：a 为相邻结构单元相隔的距离；l 为束状共鸣器总长的一半；lr为束状共鸣器的翼展长；w 为共鸣器单元宽度；t 为共鸣器厚度；h 为主梁厚度；b 为主梁宽度；mr为共振单元质量；m0为主梁质量；kr为弹簧的弹性系数。

图2 一种局域共振型梁结构示意图Fig.2 Schematic diagram of a locally resonant beam structure

板类结构声学超材料的设计一般是将孔、柱或者谐振腔等微结构周期性地布置在板上，这样可以抑制板的振动，从而实现降低外部声激励在板类结构上传播的目的［22-24］。该类超材料将有助于降低设备壳体低频振动噪声的产生和传播。

2005 年，王刚［25］率先对一种由板上周期性附加柱状共振单元构成的声学超材料板的弯曲波传播特性进行了研究，并在实验中证明，该种结构存在弯曲波带隙，在带隙范围内，基体板的弯曲振动传递会被明显衰减。2011 年，Oudich 等［26］对构型相同的声学超材料板结构展开实验研究，验证了该结构的Lamb 波完全带隙特性，并指出声学超材料板在减振降噪方面具有潜在的应用前景。2014年，Xiao 等［27］设计、制备了一种在薄板上附加周期性“悬臂梁式”共振单元的局域共振型板结构，理论和实验研究均表明，这种结构具有低频弯曲波带隙和低频弯曲振动衰减特性，如图3 所示，这为结构低频减振降噪设计提供了新的原理和方法。

图3 一种局域共振型板结构示意图以及减振特性测试结果Fig.3 Schematic diagram of a locally resonant beam plate structure and the test results of vibration absorption characteristic

Asiri［28］和Szefi［29］分别对由弹性元件和刚性元件组成的杆状及层状周期结构的振动带隙予以了研究，结果显示其可有效隔离直升机齿轮箱的振动传播。文中，作者还利用Ritz近似方法对层状周期结构隔振器进行建模，准确预测出了和实验结果一致的带隙。为降低周期结构带隙的起始频率，采用嵌入式流体单元来增加刚性元件的质量，取得了明显的效果，如图4（a）所示。Asiri［28］还分别采用几何参数和材料参数的周期性方式针对汽车减振用周期性隔振器进行了研究，结果显示，理论计算与实验结果吻合较好，测试结果如图4（b）所示。

本节分析了声学超材料在减隔振方面的研究进展，介绍了各类周期结构超材料的减隔振特性。通过把水下航行体结构设计成超材料，设备结构可具备减振功能；而把超材料隔振元器件用于设备隔振，可以有效阻隔振动传播，提高水下设备的减隔振能力。

图4 一种层状周期结构隔振器示意图及减振特性测试结果Fig.4 Schematic diagram of a laminated periodic structure vibration isolator and the test results of vibration absorption characteristic

当前，水下航行体的所有机械设备都通过隔振器安装在浮筏上，由于机械设备激励源的频率不稳定，因此需要对激励频率波动不敏感且具备低频段宽频带特点的隔振器。虽然现有周期结构的超材料已经能够在较低频率上发挥减隔振的作用，但是低频段带隙的带宽还较窄，不能完全覆盖低频段，且不同频率处的隔振效果参差不齐。同时，水下航行体所需的隔振系统相当复杂，包括机械设备、上层隔振器、浮筏、下层隔振器、基座-船体结构和船外流场等，需要解决柔性复杂隔振系统的振动传递和弹性耦合效应，以及水下复杂壳体的振动声辐射及流固耦合效应等科学问题。因此，还需要针对水下航行体内的振动源特性以及振动传递特性，从超材料的减隔振机理出发，设计优化具有低频段带隙的声学超材料隔振器。

3 声学超材料在吸隔声方面的研究进展

经典吸声材料的性能依赖于其厚度，1/4 波长的厚度就可以达到充分的吸声性能效果，但当频率较低时，所需吸声材料的尺寸会非常大［30］。而声学超材料的能量密度则可以达到一个很高的水平。在低频范围内，其吸收系数的变化幅度较小，可以通过比较高的能量密度来获得比较好的声波吸收性能，可用于控制水下航行体舱室内的空气噪声和管路流体噪声。目前，吸隔声方面的声学超材料有薄膜型、Helmholtz共振腔型和声学超表面等。

薄膜型声学超材料的设计一般是在薄膜单元上布置质量块。在薄膜单元的张力和不同大小质量块的作用下，在低频段会形成一个带隙。若将多个薄膜单元叠加在一起，不同单元可控制不同的带隙，从而实现各频段的吸声［31-32］。

梅军等［33-34］将0.2 mm 厚的矩形薄膜固定在刚性方格上，并在膜上固定多块半圆形小板，设计出了一种“暗”声学薄膜型超材料，如图5 所示。由于结构的多重共振，在多个共振频率附近，弯曲波能量均被结构所吸收。实验测试结果表明，这种轻质薄膜型声学超材料在100 Hz～1 kHz 的低频范围内具有高效的吸声能力。

图5 “暗”声学超材料及其空气声吸声系数曲线Fig.5 Sample of the dark acoustic metamaterials and its air acoustic absorption coefficeint curve

2006 年，Fang 等［35］研究了一种由周期阵列的充水Helmholtz 共振器组成的一维局域共振型声子晶体，其通过在波导管的一端用声源作为激励信号，激发Helmholtz 共振器短管处的流体运动，当激励信号的频率接近Helmholtz 共振器的共振频率时，即可实现负等效模量。负等效模量的产生是由于Helmholtz 共振器短管处声波运动与外界提供声波的声压场反相所导致，类似于负等效质量密度，可以有效衰减声波。图6 所示为由Helmholtz 共振器组成的声学超材料示意图以及等效模量（Eeff）计算值。图中，Re（E）为等效模量的实部值，Im（E）为等效模量的虚部值。

图6 Helmholtz 共振器组成的板结构超材料及等效模量计算值Fig.6 A new class of acoustic metamaterial consisting of arrays of subwavelength Helmholtz resonators and the calculated effective bulk modulus

丁昌林等［36-37］提出了一种开口空心球（split hollow sphere，SHS）模型，其通过在海绵基体中埋入大小不同的开口空心聚乙烯圆球，制备出了具有负弹性模量的声学材料，如图7（a）所示，并进行了数值计算与声透射实验，结果显示制备出的材料相对于单独的海绵基体和单独的聚乙烯圆球，吸声性能得到了提高，在5 kHz 附近出现了强烈的吸收峰，测试结果如图7（b）所示。同时，还研究了SHS 的几何尺寸（其中R 为开孔球半径，d 为开孔大小，t1为厚度，d1为整个材料厚度）、排列方式（其中a1为两个SHS 圆心的距离）和数目变化，以及空腔中充满空气或水时对透射性质的影响，发现通过调节几何尺寸，可以调整声学超材料的透射系数。

图7 海绵中埋入SHS的声学超材料样品示意图与隔声曲线Fig.7 Schematic diagram of an acoustic metamaterial sample embedded with SHS in sponge and the acoustic isolation curves

声学超表面是由多种微结构单元按特殊序列排列在一起形成的具有亚波长厚度的平面性超材料体系，突破了体积型超材料体系体积大、结构复杂、成本高、损耗大等固有局限性，其轻薄化的特性使得利用现有技术更加容易制备［38-39］。超表面可通过对介质的阻抗匹配实现对低频声波的全吸收，为控制水下设备的低频线谱噪声提供了新的方法。声学超表面技术还能通过调制入射波相位实现对反射声波的调控，此技术有望实现对水下设备通海管道流噪声的控制。

Ma 等［40］设计了一种薄膜型声学超表面，其阻抗可与空气声阻抗相匹配，声波在表面处全部耗散，成功实现了对低频声波的全吸收。实验结果显示，一层厚度仅17 mm 的结构就可以对152 Hz频率的声波实现高达99.4%的吸收率。Li 等［41］设计了一种基于迷宫结构的低频全吸收声学超表面，该超表面元胞由1 个迷宫和1 个穿孔盖板构成，如图8 所示。图中：a2为超表面元胞边长；d2为迷宫盖板小孔的直径；w2为迷宫槽宽；b2为迷宫棱宽；t2为盖板厚度；l2为迷宫槽深；α 为吸声系数。声学超表面吸声技术也可以从空气声学延伸至其他流体介质，从而应用于水声等领域。

图8 全吸收声学超表面结构及其吸声系数曲线Fig.8 Acoustic metasurface structure and its acoustic absorption coefficient curves

本节对薄膜型、Helmholtz 共振腔型、声学超表面等吸隔声方面的声学超材料予以了列举分析，考虑到空间重量约束，认为薄膜型以及声学超表面的声学材料可以用于设备隔声罩，能有效控制水下航行器舱室内的空气噪声。但通过上述分析可知，目前薄膜型、Helmholtz 共振腔型声学超材料具有体系体积大、结构复杂、成本高、损耗大等特点，暂不具备大规模应用的条件，而声学超表面设计方案由于实现机理和结构的限制，一般只对特定的频带有效，不具宽带适应性。因此，还需针对吸隔声超材料结构的设计制造需求，探究满足结构复杂性、材料多样性的制造技术新工艺、新方法，以实现对超材料复杂结构高精度、高效率的制造，从而实现功能需求和制造技术以及成本的双赢。

4 声学超材料在声目标强度控制方面的研究进展

通过在水下航行体壳体表面敷设消声瓦，可以有效降低水下航行器的目标强度。目前，已有学者将声学超材料思想引入水声消声瓦设计中［42-43］。当前，有望用于声目标强度控制的声学超材料有局域共振型和五模式超材料等。

赵宏刚等［44］提出将人工局域共振单元引入水声吸声覆盖层，并在共振单元材料中引入阻尼耗散，其基于多重散射法进行建模，证实了在低频水声吸声应用领域的潜力。随后，其又从Mie 散射的角度详细分析了局域共振单元的低频吸声机理，指出单元在共振频率附近能高效地将入射纵波转换为横波模态，进而增强声波的吸收效率。图9 所示为含有局域共振单元的新型水声吸声覆盖层样品示意图，以及其吸声性能测试结果。图中：L1为第1 层共振材料距壁面的距离；L2为两层材料之间的距离；L3为第2 层共振材料距壁面的距离。由图可看出，该样品在700～1 500 Hz 较低频段的吸声系数均高于0.8，远优于传统空腔型水声吸声覆盖层在这一频段的吸声性能。

图9 一种局域共振吸声材料及其水声吸声系数曲线Fig.9 Sample of a locally resonant acoustic absorbing material and its acoustic absorption coefficient curves of water

局域共振声学超材料层在共振频率处对声散射有着显著的抑制作用，这与传统消声瓦的作用机理存在较大区别。这一研究初步表明，利用声学超材料思想设计新型消声瓦，有望实现低频、宽带的水声隔声效果。但是，400 Hz 以下低频段的隔声性能研究仍有待改善提高。

五模式超材料作为一种新型的超材料，由Milton 等［45］于1995 年提出。这种声学超材料弹性刚度矩阵的6 个特征值中有5 个为0，在静态情况下其只能承载压缩形变，是具有“流体”性质的声学超材料。五模式超材料具有各向异性弹性性质，可用于声学隐身衣、超透镜和超表面等，在声波调控和声隐身方面有着重要的潜在价值，受到国内外的广泛关注。

在国内，Xiao等［46］针对五模式超材料进行了研究，并试制了五模式层状圆环形声斗篷，如图10所示。

图10 隐身衣样品及其测试曲线Fig.10 Sample of acoustic cloak and its test curves

为了实现对小尺寸低频声波的调控，王兆宏等［47］借鉴局域共振型声子晶体的工作原理，提出了一种基于局域共振机理的五模式超材料，如图11所示，该单胞构件采用中间为2 个圆台相交重合、两端为圆柱体的结构形式。图中：D 为圆台相交重合结构直径；h′为圆台长度；1和为两端圆柱材料长；和为两端圆柱直径。研究结果表明，新型的五模式超材料的工作频率降低了至少2 个数量级，可在100 Hz 以下频段形成完全声子禁带。

本节分析了局域共振型声学超材料以及五模式超材料，研究表明将超材料加入到消声瓦设计中可以有效提高消声瓦应对主动声呐的探测能力，能降低水下航行器的目标强度。

图11 局域共振型五模式超材料及其声子能带图Fig.11 Pentamode metamaterials of locally resonant type and its diagram of the phonon band

虽然局域共振型声学超材料展现出了宽频强吸声的特性，但该材料仍存在一定的缺陷：由于要求的结构相对复杂，所以难以准确控制材料的周期性排列，难以实现产业化，而且在水压下将破坏主体结构，对吸声性能产生严重影响。而五模式超材料的研究仍然停留在理论研究阶段，其样机虽然在高频段展示出了良好的性能，但在低频段还无法实现宽频吸声的效果。

5 结论与展望

本文从减隔振、吸隔声以及声目标强度控制3 个方面分析了声学超材料的特性以及其研究进展，结果表明，目前声学超材料在降低水下噪声和声目标强度方面，表现要优于传统材料。

根据不同类型声学超材料的特性，将水下航行器的结构设计成支撑结构超材料，可使设备结构具备减振功能；把超材料隔振元器件用于设备隔振，可以有效阻隔振动传播；薄膜型以及声学超表面的声学材料可以用于设备隔声罩，能有效控制水下航行器舱室内的空气噪声；而将超材料加入消声瓦设计中，则可以有效提高消声瓦应对主动声呐的探测能力，降低水下航行器的目标强度。声学超材料的微结构形式多样，其应用功能也不尽相同，可以通过精心设计一种材料或结构来发挥其功效，也可以通过材料和结构的组合来融合多种功能。

国内外学者经过10 余年的不断探索，在声学超材料特性研究方面取得了很大进展，已有研究初步验证了声学超材料应用于减振降噪和水下航行体声学覆盖层设计的可行性，不过，未来仍有大量的工作需要进一步深入研究拓展。当前的声学超材料研究大多是孤立地考察其声振特性，较少考虑复杂的边界、载荷条件，以及实际工程应用中的尺寸、质量、环境等约束条件，因而未来的研究需进一步朝实际工程应用方面推进。

声学超材料具备天然材料所没有的超常物理特性，轻质、低频、宽带、小尺寸、强衰减依然是声学超材料应用研究不断追求的目标，未来仍需朝这一目标不断发展，探索更多的新机制、新原理。随着一些新的方法、理念以及3D 打印加工技术的出现，声学超材料将得到进一步的发展，进而牵引新型声隐身技术的发展。