在过去的十几年中，科研学术界在声学超构材料的发展和形成声场的能力方面做出了巨大的努力。然而，迄今为止提出的大多数研究成果，即使是被选为最有前途的航空应用的构型与概念，基本上都是静态承载介质，且往往侧重于建筑声学降噪材料与结构的开发。在将有效的超材料概念应用于航空降噪结构的漫长道路上，首先要解决的问题是在模型和模拟中包含流体（气动）载荷与介质。由于流体变速流动从根本上影响声波传播，因此依赖于马赫数和/或流场形状的模型与概念的修正和修改，有望使其在气动声学领域发挥作用。
另一个挑战是开发合适的数值方法与工具来模拟航空运行条件下声学超构材料的性能。在评估系统响应时，可以考虑分析（或半解析）方法或数值模拟。前者通常能保证非常快速的评估，但代价是问题的初步分析解决方案 - 并不总是可用的，特别是对于复杂的几何形状和具有非均匀复杂背景流的条件。数值方法更加通用，但通用性也会带来成本。从数值模拟的角度来看，模拟声学超材料是一个不小的挑战。许多概念具有迷宫般复杂的微结构和大胆的设计，并且它们的性能通常依赖于结构中的声 - 弹性相互作用，其中热粘性损耗不可忽略，因此它们深刻地影响了解决方案。此类概念的直接数值模拟，例如，在完全详细的几何体上使用有限元法（FEM），将导致计算成本高、资源要求高的计算，因为精确再现最小几何细节和解决感兴趣的频率需要精细网格。这通常不允许进行性能优化测试，在这种测试中，模拟会重复很多次。
超材料构型与器件的实际制造也提出了重大挑战。通常，超构材料具有利用特定物理现象所需的复杂几何形状，但可能会增加生产复杂性和工艺难度，从而增加周期与成本。显然，控制后者对于在工业环境中部署超材料技术至关重要。在过去的二十年中，增材制造(AM)技术在多功能性和可靠性方面得到了提升，并且开发了几种使用多种材料（包括聚合物和金属）的新工艺。航空航天业正在引入增材制造，并通过这种技术，利用所提供的可能性来获得更轻、更耐用的部件，而零件设计的几何限制更少。在本文作者看来，增材制造可能是成功应对低成本制造工艺挑战的关键，该工艺可以处理超构材料设计所需的复杂几何形状。超材料是一种比波长更小的人造复合材料，在声学中具有巨大的应用潜力，可以生产亚波长吸声器、声学隐身材料、完美的声学反射镜和超聚焦声学透镜，和感知错觉，并在声场控制中实现新的自由度。超材料的零甚至负折射声指数提供了在亚波长尺度上控制声学模式和声音的可能性。尽管近十年来声学超材料的研究取得了巨大的发展，但基于超材料的技术在航空领域的潜力仍未得到充分挖掘，其应用仍处于起步阶段。因此，上述主要概念可以很好地提供一种方法来开发能够缓解民用航空噪声对公众和社区影响的装置。本文回顾了声学超构材料的最相关工作，分析了它们在航空领域的潜在适用性，并在此过程中确定了可能的实施领域和有趣的超材料性能。它还确定了一些技术挑战和未来可能的研究方向，目的是揭示超材料技术在航空领域的潜力。声学超材料的巨大潜力尚未完全揭示，在考虑航空声学和航空应用时更是如此。本文将重点介绍声学超材料在飞机降噪设计与应用中一些有趣的性能特征和有前途的概念，并将展示一些有价值的客舱降噪应用。本文同时讨论了研究人员在不久的将来需要解决的挑战，以使超材料技术成熟到足以用于航空工业应用，从而实现更高的技术成熟度等级（TRL：Technology Readiness Level）
图1：来自[26]的Schroeder扩散器的超表面设计：漫散射是通过深亚波长超表面实现的。每个单元在反射场中添加不同且随机排列的相移。在（a，b）中比较了标准和超表面设计。（c，d）中显示了平板和超表面扩散器的模拟远场散射模式，其声压级（箭头表示入射声扰动）证明了所实现的超行为。图2: 起飞和进近期间不同来源之间飞机噪声的典型分布。图片来源于[41]。图3: 用于低频吸收的各种超材料设计：（a）装饰有添加的小板和位移的膜，与来自[47]的结构的前三个特征频率相关；（b）一种双共振超材料，由亥姆霍兹谐振器和穿孔板组成，采用[43]中的创新衬垫；（c，d）两种不同的空间盘绕设计，分别来自[45]和[46]。声能的耗散是每种设计的基础。图4: Yang等人原创“最佳”吸声超材料。晶胞由16个长度不同的共振通道组成，并折叠以压实样品（图片来自[47]）。图5: 一种吸收超材料，由各种不同的亥姆霍兹共振器组成，由微孔隔板隔开。图片来自[48]。图7: 根据[22,23]对反射场进行塑造。单元很容易参数化（a）以获得相移轮廓（b，颜色表示平面波传入时反射场的相位）在阵列中组合不同的单元（c）。可以获得任意形状，向反射场(d)施加不同的相移轮廓f（y）。图8: 噪声吸收单元，来自[63]，和噪声吸收概念的功能方案。允许入射波通过超材料，并由相位阵列控制进入吸收材料。声音的反射部分无法逃逸，会发生多次反射和吸收。图9: Kadic[69]使用3D激光光刻技术实现的五模材料。图10: 存在流动时的声学隐形。经典的变换声学理论定义了在马赫数M 6= 0 (a)的衰减散射期间失效的超材料。[92]中导出的超材料参数的校正可以恢复隐形效果，即使M = 0.3（从右侧传入的流）（b）。本文侧重于未来航空应用的超构材料概念的综述。航空界正将其研究工作集中在减少飞机产生的公众与社区噪声上，而超材料在声学方面显示出的巨大潜力无疑可以在这方面做出贡献。尽管有大量关于声学超材料的文献，但对于涉及流体动力的应用，这一潜力仍未被揭示。从这些考虑出发，并考虑到特定应用领域对重量和尺寸的限制，声学超材料的概念被选为最有希望降低飞机社区噪音的概念。超材料承诺的可实现结果包括，例如，增强和/或选择性频率噪声吸收，即使在低频下，具有亚波长厚度，可用于新一代声学衬垫。机舱内壁的异常反射可以从发动机的进气口中产生虚拟的划痕效应，也可用于减轻机舱噪音。
超材料最终将能够为设计师开启新的自由度，使他们能够塑造飞机的声学特征，从而减少对公众与社区的干扰。为了实现所分析的超材料元件和装置的有效实施，必须对存在背景流的影响进行更深入的研究，而且还必须研究超构材料设计对流动的影响。事实上，超构材料概念在航空领域的有效适用性的另一个不利因素是，除了重量或尺寸过大外，还会对空气动力效率产生负面影响；这一点必须小心避免。由于超材料的性能主要来自其结构，因此通常采用复杂的设计，并且在产生相关的变形行为时涉及复杂的粘热损失和声弹性相互作用。如果采用标准的直接方法（如有限元方法），数值再现这种现象可能很困难，从而导致非常昂贵的模拟。显然，需要新的、快速的、可靠的数值工具来处理超材料器件的设计和优化过程，这是产生这项新突破性技术的最高TRL所必需的。
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原文：Acoustic Metamaterials in Aeronautics作者：Giorgio Palma，Università Degli Studi Roma Tre；Huina Mao，KTH Royal Institute of Technology；Lorenzo Burghignoli，Università Degli Studi Roma Tre；Peter Göransson，KTH Royal Institute of Technology来源：June 2018，Applied Sciences 8(6):971，DOI:10.3390/app8060971免责声明：部分资料来源网络，转载目的在于传递信息及分享，并不意味赞同其观点或其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时删除。