聲學超構材料是一種人工結構材料，具有自然材料所沒有的特性，如負的等效體積模量、負的等效質量密度和負的折射率等，這些特性為操縱聲波提供了新的手段。聲學超構材料研究不僅促進了現(xiàn)代聲學的發(fā)展，還在航空工業(yè)、軌道交通、生物醫(yī)學、新基礎設施建設等領域的工程應用中展現(xiàn)了巨大潛力。如何進一步設計和優(yōu)化聲學超構材料以滿足現(xiàn)實世界中需求仍然是當前面臨的重大挑戰(zhàn)。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第10期發(fā)表南京大學陳延峰教授研究團隊的《未來工程中的聲學超構材料》一文。文章在概述聲學超構材料研究內容和發(fā)展歷程的基礎上，總結了聲學超構材料的最新進展，如在吸聲/隔聲、聲成像、聲隱身等領域的潛在應用前景。最后，文章分析了聲學超構材料在工程應用過程中面臨的機遇和挑戰(zhàn)，包括共振引起的窄工作帶寬和不可避免的能量損失會嚴重阻礙聲學超構材料的實際應用；開發(fā)新一代3D打印技術以支撐聲學超構材料制造；將聲學超構材料數(shù)字化與人工智能相結合，是節(jié)省非創(chuàng)新設計時間和精力的最可能途徑。
一、引言
聲學是研究機械波（即聲波和彈性波）的產(chǎn)生、傳播、檢測和轉換的物理學分支，在現(xiàn)代工程和醫(yī)學領域（如通信、成像、非侵入超聲手術等）發(fā)揮著越來越重要的作用。聲波的波長較長，在材料中的衰減較弱，說明聲波具有較強的衍射能力和穿透能力，正因此，超聲成像展現(xiàn)出光學成像無法比擬的成像深度。另一方面，這些特點為聲波的操縱帶來了困難和挑戰(zhàn)。隨著聲學超構材料（acoustic metamaterials, AMMs）的出現(xiàn)，操縱復雜的聲波和振動成為可能。最早出現(xiàn)的聲子晶體（sonic crystals, SCs）類AMMs的研究可以追溯到20世紀90年代，通過在主體材料中引入高阻抗系數(shù)的周期性結構單元，聲波在SCs中發(fā)生強烈的布拉格散射，使得SCs表現(xiàn)出獨特的能帶結構。此外，通過精巧的結構設計，在SCs中還能觀察到負折射、異常透射和邊界態(tài)等新奇現(xiàn)象。
隨著局域共振（local resonance）類AMMs的發(fā)現(xiàn)，AMMs的范圍得到了進一步擴展。與SCs不同，其要求晶格常數(shù)和聲波的波長在同一數(shù)量級，局域共振類AMMs的晶格常數(shù)遠小于被操縱聲波的波長。因此，局域共振AMMs在調節(jié)深亞波長的聲波方面顯示出明顯優(yōu)勢。長期以來，不同學科的研究人員設計了各種奇異本構參數(shù)的AMMs結構，如負的等效體積模量、負的等效質量密度和負折射率，來實現(xiàn)各種功能，如吸聲、聲隱身、聲聚焦和反向多普勒效應等。聲學超表面、空間螺旋型AMMs的研究極大地豐富了AMMs的內涵。此外，受量子電子學和拓撲電子學的啟發(fā)，許多AMMs被設計用于模擬這些拓撲現(xiàn)象和性質，如狄拉克錐型色散關系、偽擴散傳輸、拓撲單向邊界態(tài)、時間-宇稱對稱（parity-time-symmetric）聲學和聲學非互易傳播等。
對AMMs的研究為航空工業(yè)、軌道交通、生物醫(yī)學、新基礎設施建設等領域的工程應用奠定了堅實的基礎。然而，如何設計和優(yōu)化AMMs以滿足現(xiàn)實世界中的需求仍然是一個挑戰(zhàn)。迄今為止，有大量關于AMMs的評論文章和書籍，它們全面、詳細地闡述了其物理本質、結構的具體類別和發(fā)展歷史。在這里，我們將通過回顧在吸聲/隔聲、聲成像、聲隱身等領域取得的重大進展，重點介紹AMMs的實際應用。此外，我們還將概述AMMs在未來聲學工程應用中的機遇和挑戰(zhàn)。
二、聲學超材料的應用
（一）吸聲/隔聲
發(fā)動機、輪軌摩擦、空調等產(chǎn)生的噪聲污染是當今社會影響人類生活的主要問題之一。對聲波能量的耗散和阻隔聲波的傳播是減少甚至消除噪聲污染的兩種策略。然而，對于穿透力強、衰減弱的低頻聲波，傳統(tǒng)的吸聲/隔聲材料體積過于龐大。通過共振效應提高聲波能量密度和產(chǎn)生傳播帶隙，亞波長結構的AMMs可以分別有效地實現(xiàn)吸聲和阻止聲傳播。絕大多數(shù)用于吸聲/隔聲的AMMs由裝飾膜諧振器（decorated membrane resonators, DMRs）、亥姆霍茲諧振器（Helmholtz resonators, HRs）、法布里-珀羅諧振器（Fabry-Perot resonators, FPRs）及其各種變體構成。
第一個DMRs型AMMs是在一個0.28 mm厚的圓形薄膜的中心附著一個小重物，共振頻率為146 Hz，諧振器的尺寸遠小于其2.35 m的諧振波長。進一步，研究人員將剛性重物以非對稱的排布方式附著在彈性薄膜上 [圖1（a）]，實現(xiàn)了100~1000 Hz范圍內對應共振頻率上的一致吸收。受到幾何約束的影響，DMRs存在一個固有50%的吸聲極限。為了克服這一限制，有三種可行的策略：一種策略是將DMRs靠近硬反射壁，因為壁和DMRs之間的多次反射可導致超過99%的能量吸收。利用單極子和偶極子諧振器產(chǎn)生簡并共振[圖1（b）]是實現(xiàn)完美吸聲的另一種策略。第三種策略是引入一個與待吸收聲波振幅相同但相位相反的控制波，以消除反射和透射，從而實現(xiàn)100%的吸聲。這種方法也稱之為相干完美吸收（coherent perfect absorption, CPA）法。除噪聲吸收外，DMRs超材料還可用于噪聲隔離。Wang等提出了一種膜約束型DMRs超構材料，通過抑制膜中心的振動，以隔離低頻聲波的傳播。在一些對吸聲/隔聲材料的重量和體積有限制的應用領域，如飛機、高速鐵路、汽車和船舶等，DMRs超構材料因為結構簡單、體積小和重量輕等特征，有望實現(xiàn)工程應用。
圖1. 用于吸聲/隔聲的AMMs。（a）陣列薄膜諧振器AMMs照片；（b）簡并薄膜諧振器的剖視圖；（c）由8個諧振頻率諧振器組成的超表面單元組示意圖；（d）穿孔復合材料HRs示意圖；（e）帶有中心孔的兩個螺旋結構AMMs的示意圖；（f）在黏彈性涂層內嵌入周期分布板散射體組成水下吸聲結構示意圖。圖中所有縮寫的定義見引用參考文獻。
盡管DMRs具有優(yōu)異的吸聲/隔聲性能，但由于疲勞，塑料薄膜在長時間運行后很容易失效。因此，使用剛性固體材料制造用于吸聲的HRs和FPRs是另一個研究熱點。通常，受與DMRs相似的幾何約束，單個HRs表現(xiàn)出單極共振，導致50%的吸收上限。為了解決這個問題，Merkel等通過固有損耗和高Q值時“透明模式”的相互作用證明了完美的吸聲效果。此外，在對稱（非對稱）結構中實現(xiàn)了略超過50%（和接近96%）的單側吸收。兩端貫通的結構的另一個優(yōu)勢在于吸聲的同時能夠保持通風，使得封閉的環(huán)境（如計算機機房、空調外機散熱器等）可以保持新鮮空氣循環(huán)。除了雙端口情況外，基于HRs的聲學三端口網(wǎng)絡也被提出，以在相同頻率下既可以作為完美的吸聲結構，也可以用于聲波輻射。為了進一步減少體積，將開放孔嵌入到HRs結構中最為常見。
以上實例證明提高聲波的能量密度可以極大耗散聲波能量，實現(xiàn)高效率吸聲。然而，共振特性帶來的窄頻率帶寬吸收制約了AMMs的實際應用。一個自然的想法是，巧妙地構建一個由不同共振頻率單元組成的混合系統(tǒng)，讓每個共振單元之間有微小的共振頻率差異，以獲得整體的寬帶吸聲。2006年，一種基于陣列面板輻射阻抗的理論方法被提出，用于計算低頻范圍內HRs陣列的吸聲。從那時起，這種窄頸HRs被廣泛探索，以減小諧振器的空間尺度并實現(xiàn)寬帶吸聲。一個例子是將一個或多個帶有小孔的擋板插入HRs內部，從而形成穿孔復合HRs [圖1（c）]，其可以在450~1360 Hz的寬帶范圍內實現(xiàn)連續(xù)的近完美吸收。
對于FPRs，每個通道需要四分之一波長，這意味著低頻吸聲結構仍然有著十分龐大的空間尺寸。卷繞或折疊通道是減小吸聲結構尺寸的一種有效方法。通過將具有不同共振頻率的通道堆疊在一起，卷繞的空間結構在寬帶吸聲上表現(xiàn)出良好的性能。然而，對于在指定頻率范圍內，給定吸聲性能的情況下，AMMs是否存在一個最小厚度的極限？因果律約束（causality constraint）給出了合適的回答，其揭示了最小化吸收體厚度與吸收頻譜之間的關系。在因果律指導下，Yang等實現(xiàn)了一個10.86 cm厚的結構，顯示出寬帶、近乎完美的平坦吸收譜[圖1（d）]。然而，在某些情況下，可以通過操縱吸收器背面的邊界條件來規(guī)避因果約束。Mak等實現(xiàn)了比因果極限小一個數(shù)量級的最小吸收體厚度。阻隔聲波的傳播，同時保持通風也是AMMs的另一個優(yōu)勢。最近，一種基于類法諾干涉（Fano-like）的平面通風聲屏障被提出，其具有中心空孔和兩個不同螺距的螺旋結構，可阻擋900~1418 Hz頻率范圍內90%以上的入射能量[圖1（e）]。與DMRs型AMMs相比，由剛性固體材料組成的HRs和FPRs超構材料可以大大延長使用壽命。鑒于其承載和裝飾功能，這些AMMs有望在高速公路、智能電網(wǎng)和高速列車等應用中降低噪聲。
水聲噪聲的吸收/隔絕可用于聲納屏蔽、水下通信、海洋開發(fā)等領域，是AMMs另一潛在應用方向。然而，因為高靜水壓力和較小的阻抗對比度制約了“超原子”（meta-atoms）的構建，水聲吸聲/隔聲超構材料的研究進展緩慢。一些初步嘗試是在剛性結構中嵌入氣泡結構或在高黏度彈性主體材料中嵌入高密度球體作為共振單元。受到生物超疏水系統(tǒng)的啟發(fā)，一種氣泡陣列的AMMs被提出。由于局部共振，這種AMMs可以阻止低頻聲波。在不改變材料厚度的情況下改變氣泡的大小和氣泡之間的距離，可以在9~1756 kHz的范圍內調整工作頻率。Duan等報道了另一種輕型AMMs，其由橡膠涂層和嵌入經(jīng)典亥姆霍茲共振腔的金屬頸部構成。通過調制內部幾何參數(shù)，這種準亥姆霍茲諧振器在306~921 Hz之間實現(xiàn)了幾乎完美的吸收。為了拓寬吸聲帶寬，Zhang等最近提出了一種使用不同散射體尺寸的方法[圖1（f）]，與此同時Shi等使用了多涂層結構均取得了良好效果。
除了共振結構之外，具有梯度折射率的非共振AMMs利用散射體的密度變化來調制局部折射率，從而控制入射聲波的損失?；诼晫W黑洞原理和多重散射理論，Naify等設計了一種具有線性漸變聲速的圓柱殼，用于全方位水下吸聲。在此基礎上，Wang等進一步開發(fā)了一種新的二維軸對稱水下全向吸收器，具有聲學梯度折射率結構和空心吸收芯。然而，對應于小波長的兆赫頻段超聲波的研究在材料制備上仍然存在極大的困難。
（二）聲成像
聲成像在醫(yī)學超聲、無損檢測和光聲成像中有著重要應用。更高的空間分辨率一直是這些領域的研究重點。與光學成像一樣，攜帶物體高頻信息的倏逝波，在離開物體表面時呈指數(shù)衰減，導致常規(guī)光學/聲學成像技術存在分辨率極限。如何獲取倏逝波攜帶的信息是實現(xiàn)高分辨率成像的關鍵。得益于AMMs超越尋常材料的特性，兩種策略可以有效提高成像的分辨率。一種方法依賴于放大倏逝波以在一定距離內進行檢測，另一種方法將倏逝波變?yōu)閭鞑ゲ?，以便于測量。
第一種策略受到John Pendry的“完美透鏡”所啟發(fā)，通過使用光學負折射率材料來放大倏逝波。在聲學中同樣如此，通過設計了一種負折射率的2D薄膜諧振器AMMs，可以使倏逝波源獲得17倍的凈振幅增益。類似結構的AMMs也被提出來，使得從物體輻射的倏逝波共振耦合到AMMs表面聲場，并被增強，以此來突破成像的衍射極限?，F(xiàn)有的研究表明，通過使用2D薄膜諧振器AMMs，可以放大表面倏逝波，從而分出距離為1/17波長的兩點源 [圖2（a）]。除了薄膜型AMMs之外，Kaina等提出了一種由HRs組成的負折射率聲學超透鏡[圖2（b）]，實現(xiàn)了7倍衍射極限的亞波長聚焦和3.5倍的分辨率。
第二種策略基于各向異性AMMs，通過耦合倏逝波分量，可以將倏逝波轉換為傳播波。一般來說，這種類型的AMMs通過激勵聲波波導內的陷波共振。通過將倏逝波轉換為傳播波，各向異性的AMMs甚至可以在遠場實現(xiàn)高分辨率成像。例如，Li等使用36個計算機數(shù)字控制的黃銅翅片將倏逝波分量轉換為傳播波，傳播波可以傳播到遠場，物體的深亞波長特征得以保持完整[圖2（c）]。
除上述策略外，選擇一個與周圍介質有高折射率對比的平板，在平板結構中激發(fā)波導諧振。包含物體細節(jié)信息的高空間分量可以耦合到這種平板波導的陷波模式中，就可以在遠平面獲得亞波長圖像。由聲學超透鏡產(chǎn)生的超振蕩波包提供了另一種打破超聲成像衍射極限的方法 [圖2（d）]。由于AMMs的工作帶寬較窄，這可能導致成像中出現(xiàn)嚴重色差，引入非共振單元和鰭形超透鏡也可以有效解決這一問題。
圖2. 用于成像的AMMs。（a）基于薄膜型AMMs制成的聲學超透鏡；（b）使用平面聲學超透鏡對兩個異相源進行超分辨率成像；（c）亞衍射限制雙光源放大成像的實驗演示；（d）聲學超表面透鏡（上圖）和克服倏逝波探測極限的超振蕩場模式聲場分布（下圖）；（e）經(jīng)超透鏡聚焦之后的近平面波的聲強的數(shù)值仿真結果。圖中所有縮寫的定義見引用參考文獻。
雖然AMMs的大多數(shù)成像應用集中于空氣聲，一些關于水聲透鏡的報道已經(jīng)開始出現(xiàn)。Peng等設計了梯度負折射率AMMs，以實現(xiàn)寬帶水聲聚焦，其焦距可通過改變晶格距離進行調整。這些材料有望用于超聲成像，因為超聲成像通過發(fā)射寬帶脈沖聲波，再接收回波進行成像。獲得梯度折射率的寬帶聚焦透鏡還有其他方法，包括利用2D五模材料，使用具有非共振結構的超表面，或者使用由單相桿制成的簡單SCs。另外，設計聲學復合透鏡還可以在15~25 kHz頻段實現(xiàn)三維水下聲聚焦[圖2（e）]。
（三）其他應用
除了上面討論的應用之外，還有其他幾個值得注意的分支，如聲學隱身、單向聲傳播、聲學互補超材料和阻抗匹配等。隱身的概念首次在光學中提出，描述了一種物體在光學環(huán)境中不可見的現(xiàn)象，就好像它消失了一樣。基于變換聲學方程，已經(jīng)提出了各種用于隱身的結構，如交替各向同性層、多層復合材料和金字塔狀穿孔板結構。對于水聲隱身，Zhang等提出了一種由窄通道連接的亞波長腔構成的平面網(wǎng)絡狀AMMs [圖3（a）]來實現(xiàn)的方法。
圖3. （a）聲學圓柱形隱身斗篷的結構示意圖；（b）在y方向上具有周期性布置的聲子晶體聲二極管示意圖；（c）聲學拓撲絕緣體示意圖，由兩種聲子“石墨烯”構成，具有相同的晶格常數(shù)，但不同的“原子”（即不銹鋼棒）半徑（左）和交叉波導分離器照片（右）；（d）僅在顱骨（左）和經(jīng)過CMM后再經(jīng)過顱骨（右）的未聚焦波束的聲強度場分布。圖中所有縮寫的定義見引用參考文獻。
單向聲音傳播是另一個值得關注的課題。其中入射波僅在一個方向上傳播，而在另一個方向被“阻擋”，其行為類似于二極管，并可能用于通信、反竊聽和聲學計算。對于這種非互易傳播，通常需要引入循環(huán)流體來打破時間反演對稱性，但與之伴隨的聲場不穩(wěn)定性和氣流的高黏度帶來了新的挑戰(zhàn)。另一種解決方案是打破空間反演對稱性，實現(xiàn)了更高效率、更寬帶寬和更低功耗的單向聲音傳播 [圖3（b）]。
為了實現(xiàn)單向傳播或減少背向散射，另一個蓬勃發(fā)展的領域最近吸引了大量注意力，即拓撲相材料。拓撲物理學起源于電子系統(tǒng)，首次被發(fā)現(xiàn)于著名的整數(shù)量子霍爾效應，很快擴展到光學和聲學等經(jīng)典波領域。由于拓撲保護，拓撲超構材料有著魯棒的界面狀態(tài)來抑制聲波的背向散射。這一特性使其在各個領域具有革命性的應用，包括低損耗波導、拓撲濾波和聲波準直。更有趣的是，物質的拓撲相位為光和聲音控制帶來了新的自由度。例如，通過設計由鋼棒組成的二維蜂窩狀晶格，He等實現(xiàn)了量子自旋霍爾效應的聲學模擬，其支持背向散射免疫[圖3（c）]。聲學中偽自旋的產(chǎn)生促進了聲學自旋電子學的發(fā)展，這為自旋編碼的聲學通信展現(xiàn)了潛在加價值。此外，聲學谷絕緣體、Weyl半金屬和高階拓撲絕緣體的最新發(fā)展進一步增強了人類對各種聲音的控制能力，并導出多種應用場景。
此外，當聲波遇到阻抗失配較大的障礙物或界面時，大量聲能將被散射。為了恢復畸變聲場，聲學互補超構材料（complementary metamaterials, CMMs）被提出。一般來說，CMMs同時要求負的和各向異性材料性質，以防止過大的共振阻尼。它們在經(jīng)顱超聲和無損檢測中具有潛在應用，例如，一種由固定薄膜和側面分支結構陣列化組成的準2D聲學CMMs，可用于以非侵入方式恢復因顱骨等導致的畸變聲場[圖3（d）]。
克服大阻抗失配和增強水-空氣界面處的聲傳播對于水下通信、成像和遙感具有重要意義?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)證明聲學超表面能夠更優(yōu)于傳統(tǒng)的四分之一平板或多層抗反射涂層的阻抗匹配。一種由鎖定的空氣層和具有多個中空單元的疏水固體基底組成的超表面，在10~4000 Hz的頻率范圍內將聲波透射能量提高200倍以上。通過改變固體襯底的浸沒深度，在不損失能量的前提下，還能改變工作頻率。受“蓮花效應”的啟發(fā)，使用超疏水鋁板和水構建一個微型空氣層。在10~100 kHz的頻率范圍內，可以獲得接近100%的能量透射系數(shù)和廣角水-空氣聲傳輸。
另一個應用是醫(yī)學超聲領域，要求壓電材料和人體組織之間能夠做到很好的阻抗匹配。引入具有梯度折射率的AMMs層是實現(xiàn)阻抗匹配的常用方法。Li等提出了一種各向異性的錐形AMMs匹配層，其沿超聲波傳播方向具有梯度聲阻抗，以實現(xiàn)超聲波在寬頻率范圍內的超常傳播。在上述研究中，阻抗匹配效應對于垂直入射是有效的，但隨著入射角的增加，阻抗匹配效果逐漸惡化。為了實現(xiàn)廣角聲阻抗匹配，Liu等通過應用具有空間色散參數(shù)的有效介質理論，使用硅橡膠設計一維和二維聲結構，實現(xiàn)了與水的廣角和寬帶阻抗匹配，得到了接近100%的聲透射。
三、討論
在本文中，我們首先簡要概述了AMMs的研究內容、發(fā)展歷程。然后，我們回顧了AMMs在幾個有前景領域中的潛在應用，如吸聲/隔聲、聲成像、聲隱身等。盡管AMMs的基礎研究豐富多樣，但在實際工程中，應用AMMs仍然存在一些挑戰(zhàn)，以下做簡要探討。
共振引起的窄工作帶寬和不可避免的能量損失會嚴重阻礙AMMs的實際應用。前者可以通過集成寬共振譜的AMMs和設計可調諧主動超構材料來解決。拓撲絕緣體和相關的拓撲器件可以提供拓撲保護，實現(xiàn)無損聲傳播，可以作為后一個問題的潛在解決方案。此外，揚聲器、換能器和其他能量轉換方法（例如，具有溫度或電磁調節(jié)的多物理耦合）可用于補償AMMs的能量耗散。
除了空氣聲AMMs外，越來越多的人關注用于流體的超構材料設計。然而，如上所述，流體和固體主體材料之間的阻抗對比度相對較?。▋H約一個數(shù)量級）。大量聲能傳播到流體和固體結構中可能導致復雜的傳播路徑，因此等效聲學參數(shù)可能更加復雜。解決這一挑戰(zhàn)的一種策略是將氣泡構建為諧振器，或者用彈性薄膜包裹氣泡；在這種情況下，可以通過改變氣泡的預設壓力或通過選擇不同的封裝材料來調節(jié)等效參數(shù)。
另一個挑戰(zhàn)在于AMMs的制造。簡單結構AMMs可通過常規(guī)制造方法制造，包括機械加工、鑄造、注塑和激光切割。具有復雜3D結構的AMMs，如通道、腔室和球形或圓柱形填充物，主要依靠手工制造和3D打印。然而，大規(guī)模的手工制造可能會導致一致性損失和產(chǎn)品質量不穩(wěn)定。3D打印技術非常適合制造復雜結構。然而，當涉及大規(guī)模生產(chǎn)時，3D打印可能會受到高成本消耗、低生產(chǎn)效率和材料品種有限的影響。因此，在現(xiàn)實世界AMMs應用的道路上，開發(fā)低成本、高效率和多種材料的新一代3D打印技術尤為迫切。此外，兆赫茲范圍內的AMMs對于提高醫(yī)學超聲成像的分辨率和提高高強度超聲手術的精度具有重要價值。然而，微米級的制造方法鮮少報道。因此，高頻AMMs的制備迫切需要先進的微/納米加工技術。
此外，定制特定功能或者結構的AMMs在工程實用化過程中至關重要。然而，確定AMMs的結構、功能和特性之間的復雜關系需要相當大的努力。將AMMs數(shù)字化與人工智能相結合，是節(jié)省非創(chuàng)新設計時間和精力的最可能途徑。如圖4所示，在設計和優(yōu)化AMMs時，全面考慮基本原理、性能、制造和應用，并在所有方面達成平衡，是最終工業(yè)應用的關鍵。
圖4. 設計和制備AMMs時應綜合考慮的所有要素。
改編原文：Qiangbing Lu, Xin Li, Xiujuan Zhang, Minghui Lu, Yanfeng Chen.Perspective: Acoustic Metamaterials in Future Engineering[J].Engineering,2022,17(10):22-30.
京公網(wǎng)安備11010802046783號
