比翱工程实验室丨声学超构材料中涉及的非常规现象的分类

近年来，超材料一直是声学材料领域的一个热门话题。术语“超”用于强调至少使用了一种非常规现象。这些超材料也可以称为多重动态材料。在这个领域，每年都有大量的研究文献和成果发表，很难区分这些研究作品是提出了新的概念还是结合了几个现有的概念。

 

普信®声学创新研究院和比翱工程实验室全球合作方法国Matelys实验室团队（F. CHEVILLOTTE，F.-X. BECOT，L. JAOUEN等）在AUTOMOTIVE NVH COMFORT LE MANS 2020大会上发表的“Classification of non-conventional phenomena involved in meta-materials”的报告中综合阐述了超材料中涉及的不同现象。

报告介绍这些非常规现象，如双重孔隙、多次散射、声共振、透磁弹性，并对涉及的效应进行分类。此外，还将表明，在超材料中经常遇到的夹杂物的周期性可被视为一种额外的现象，而不是强制利用其他现象。这项工作的主要思想是对非常规效应进行分类，以便在设计具有多重动态特征的声学材料时有一个工具箱。

 

介绍

多孔材料广泛应用于汽车声学包研制与应用中。常规的多孔介质（纤维、泡沫）通常被认为是均质的。针对低频声学性能的新趋势是研究非常规现象。这些包括非常规现象的材料通常被称为超材料。这些非常规现象增加了额外的动态特征与耗散。

 

经典多孔材料

多孔材料因其通过粘性和热效应耗散声能的能力而广泛用于噪声控制与声学设计。多孔材料一直是良好的声学材料。它们是特别好的吸声材料，当以多层形式组装时，它们还可用于为声传输应用增加粘热耗散。

 

声学多孔介质可分为三类：纤维状、泡沫状和颗粒状。这些材料由固相和液相（通常为空气）组成。它们表现出一个开放的网络，具有高孔隙率（空气的体积分数），通常大于90%。纤维材料和开孔泡沫的两种多孔微观结构如图1所示。这些材料由于成本相对较低而被广泛使用。即使它们表现出不同的微观结构，声耗散机制也是相同的。粘热耗散可以准确预测[1-5]。

图1：多孔微观结构示例，左：纤维介质，右：开孔泡沫。 

当考虑弹性框架时，必须使用Biot（比翱）模型[6-7]考虑结构效应以及与粘热耗散的耦合。弹性性能对于使用（粘结）多孔材料的传输应用来说至关重要。如果多孔弹性介质用于吸收应用或与其他层解耦，则通常可以认为它是刚性和静止的。图2显示了在中等流阻率σ=25 000 N.s.m^-4和杨氏模量E=200 000 Pa的情况下，用刚性或弹性框架模拟的泡沫在垂直入射下的吸声的典型比较。弹性效应（四分之一波共振）是有限的，并且局限在频率范围内。

图2：具有弱弹性耦合（σ=25 000 N.s.m^-4和E=200 000 Pa）的30 mm厚泡沫在垂直入射下的吸声比较。 

实现粘热耗散和弹性框架的多孔材料可视为“经典多孔材料”。

 

然而，图3显示，在调整“经典”多孔弹性材料的性能时，可以实现多孔弹性耦合的强烈效果。

图3：具有强弹性耦合（σ=200000 N.s.m^-4和E=5000 Pa）的30 mm厚泡沫在垂直入射下的吸声比较。 

在低频下，与材料形态尺寸和厚度相比，波长较大，这些经典多孔材料缺乏耗散。这解释了研究超材料的巨大兴趣与应用潜能，或者换句话说，如何添加额外的动态或耗散现象。目前有大量关于超材料的研究工作，它们主要涉及几个通常结合在一起的概念。

 

亚波长耗散是超材料工作中经常提到的问题。必须记住，刚性背衬材料的最大耗散发生在频率f=c/4L时，L为样品厚度，c为多孔介质中的声速。空气中的声波波长为λ=c₀/f。波在多孔介质的液相中传播的速度取决于频率，并且比在空气中传播的速度低c（f）<c₀。因此，必须谨慎地考虑与空气中的声波波长进行比较。

 

非常规现象

本节将介绍和分类超材料中涉及的非常规现象。

 

1 具有扩散过程的多尺度材料

第一类超材料基于多重尺度的使用。它可以是含有空气、固体或多孔夹杂物的多孔基质。通过调整夹杂物的尺寸和多孔基体的性质，可以实现额外的耗散效应，尤其是扩散效应。

 

双孔隙介质：在精心选择的多孔介质中添加细观穿孔或空气夹杂物可以提高给定频率范围内的吸声性能。这种材料称为双重孔隙介质，如图4所示。当细观（即细观射孔）和微观尺度（即多孔基质）之间存在强烈的渗透率对比时，这种双重孔隙介质增加了压力扩散效应[8-9]。如图4所示，含有空气夹杂物的多孔介质可实现重量减轻，并可利用额外的压力扩散效应。

表1：材料参数图4：双重孔隙对吸声系数的潜在影响（20 mm厚的多孔A样品，直径为10 mm的孔占11%）。

固体夹杂物：这种具有固体夹杂物的非均质多孔介质能够利用细观尺度上的曲折效应，如图5所示。具有固体夹杂物的多孔材料还可以添加多重散射效应，而不必具有周期性 [10]。

图5：固体夹杂物对吸声系数的潜在影响（含12.6%刚性夹杂物的20 mm厚多孔B样品）。

 

多孔夹杂物：考虑多孔基质中的多孔夹杂物可以控制渗透率对比，主要控制整体耗散水平。如第上[11-12]中所述，这种非均质多孔介质仍然可以受益于额外的细观曲折度和压力扩散效应（见图 6）。

图6：多孔夹杂物对吸声系数的潜在影响（20 毫米厚的多孔 B 样品，含有 12.6% 的多孔 A 夹杂物）。 

吸附：利用吸附（吸附/解吸）现象可以增强扩散过程。这些效应通常通过第三级（纳米级）孔隙率引入。这可以通过使用活性炭来实现[13-14]。除了改善耗散外，这种现象还可以降低非均质材料的体积模量。这对于将谐振腔的谐振移向低频非常有用。

 

2 声谐振腔

声学谐振腔（亥姆霍兹[15]或四分之一波长谐振器）的使用并不是最近才使用的，并且在过去的几十年中，它们与多孔介质耦合的使用引起了一些兴趣[16-18]。谐振腔可以嵌入多孔基质中，同时充当刚性夹杂物并在谐振频率增加耗散，如图7所示。声学谐振腔也可以放置在材料的侧面或背面[18]。

 

几个谐振器可以结合不同的尺寸和谐振频率。这种类型的组合倾向于施罗德扩散体[19]。

图7：内谐振器对吸声系数的潜在影响（20 mm厚的多孔B样品，20%的内谐振器设置为423 Hz）。

3 软膜

多孔材料中刚性膜的作用是众所周知的。它们允许增加流阻率和曲折度[20]。尽管软膜具有很高的潜力[21]，但对其影响的研究较少（见图8）。软膜与粘热耗散的耦合被称为透弹性概念，并通过均匀化方法进行了研究[22]

图8：20毫米厚样品的薄膜和软膜的潜在影响。图3.参考文献[21] 

4 周期性

当夹杂物呈周期性时，异质材料变成声子晶体。除了细观曲折和多重散射效应之外，还会出现干涉现象（参见图 9）。这些被称为布拉格干涉。

图9：两个衍射角的布拉格干涉图示左：相长干涉，右：相消干涉 

这种类型的材料可以在传输中产生阻带[22]。这些周期性夹杂物也可以嵌入多孔介质中[23]。图10显示了在布拉格频率附近传输损耗的增加。然而，它对应于吸声系数的降低。它证实，由于周期性的夹杂物，波被反射而不是消散。因此，周期性对于传输目的非常重要，但对于吸声应用则不然。

 图10：周期性固体夹杂物的潜在影响。上：吸音，下：传输损失。

5 阻抗匹配

阻抗匹配的原理是逐渐修改阻抗以趋向于零反射[24]。阻抗匹配通常通过改变材料的拓扑结构来实现。例如，这就是消声楔的原理。功能梯度材料也是有效应用阻抗匹配原理的良好候选材料。

 

6 替代概念

这项工作主要关注多孔材料中直接集成的概念。然而，也经常使用直接耦合到结构的外部设备，例如机械谐振器。它们可以采用线性单轴弹簧质量系统[25-26]、弯曲模式谐振器[27]以及非线性机械谐振器[28-29]的形式。膜式谐振器也可以被认为是[30]。

 

阻抗匹配概念也适用于结构振动[31]。当用于振动控制时，这个概念有时被称为“声学黑洞”[32]。

 

最后，在处理水下声学时，由于水阻抗与空气阻抗相比非常大，因此不能使用所提出的大多数概念。水下应用的大多数超材料解决方案都基于固体粘弹性基体和软夹杂物[33]。

 

总结

本文综述了声学超材料中涉及的各种非常规现象的概念。尽管每年都有大量新出版的研究文献和成果，但涉及的概念却很少。

 

大多数研究文献结合了其中一些概念，例如：

-  膜和谐振器[34]，

-  周期性固体夹杂物和四分之一波长谐振器背衬[35]，

-  周期性夹杂物和谐振腔[36]。

 

这些概念可以看作是声学专家设计有效解决方案的工具箱。重要的是要注意，利用所呈现的非常规现象不需要周期性。周期性是一个可以与其他概念结合的附加概念。

本文综述了声学超材料中涉及的各种非常规现象的概念。这些概念可以看作是声学与噪音控制专家设计有效解决方案的工具箱。

 

参考文献

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